CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Pectin Thuật ngữ “pectin” xuất phát từ tiếng Hy Lạp cổ “pektikos” có nghĩa là đông lại, được phân lập đầu tiên bởi Henri Braconnot vào năm 1825 [4]. Pectin là một loại heteropolysaccharide nằm ở thành tế bào sơ cấp của thực vật trên cạn, thành phần chính là acid D-galacturonic. Trong cấu trúc của pectin, các phân tử acid này liên kết với nhau nhờ các liên kết α-1,4-glycosidic hình thành mạch dài của polysaccharide [5].
Pectin được sản xuất thương mại có màu trắng đến nâu nhạt, chủ yếu được trích ly từ các loại trái cây thuộc họ cam quýt và có nhiều ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm [5]. Nhờ vào khả năng tạo gel, pectin có thể được dùng trong việc sản xuất mứt và thạch, ngoài ra còn có thể đóng vai trò là chất ổn định và chất nhũ hóa trong lĩnh vực thực phẩm [6]. Trước đây bã táo là nguồn chính để sản xuất pectin nhưng hiện nay vỏ cam quýt (85,5%), bã táo (14%) và lượng nhỏ củ cải đường (0,5%) là những nguồn sản xuất pectin chủ yếu [7].1 Cấu trúc và thành phần hóa học Pectin có nguồn gốc từ thực vật, là một nguyên liệu chi phí thấp, nằm trong các sản phẩm phụ từ việc tiêu thụ rau củ và hoa quả. Nó là một polysaccharide có chứa các miền cấu trúc phức tạp bao gồm ba vùng chính homogalacturonan (HG), rhamnogalacturonan-I (RG-I) và rhamnogalacturonan-II (RG-II) [8].
Cấu tạo hóa học của pectin 1 Homogalacturonan Cấu trúc của homogalacturonan (HG) là một chuỗi dài đơn giản của polygalacturonic acid (chiếm khoảng 65% pectin), được liên kết với nhau nhờ các liên kết α-1,4- glycosidic [9]. Xylogalacturonan (XGA) là một dạng của HG trong đó xylose được thay vào vị trí O- 3, thỉnh thoảng có thể được thay thêm ở O-4 bằng một xylose khác. XGA có chủ yếu ở mô sinh sản của thực vật như quả và hạt, nó cũng liên quan đến chức năng lưu trữ và sinh sản trong các cơ quan của thực vật [10], [11]. Apiogalacturonan (AP) là một dạng khác của HG trong đó D-apiofuranose được thay thế ở vị trí O-2 hoặc O-3.
AP tồn tại trong những loài thực vật một lá mầm sống dưới nước như Lemna, là loài thực vật có hoa sống dưới nước [10]. Rhamnogalacturonan - I RG-I chiếm khoảng 20 – 35% pectin, bao gồm một đơn vị disaccharide lặp lại [-α-D- GalA-1,2- α-L-Rha-1-4-]n, nằm xen kẽ giữa dư lượng D-galacturonic acid (GalA) được liên kết với dư lượng α-L-rhamnose (Rha) nhờ liên kết glycosidic. Rhamnogalacturonan – II RG-II là dạng pectin có cấu trúc phức tạp nhất, chiếm khoảng 10% pectin, bao gồm khung HG chứa hơn 12 loại đường khác nhau được liên kết bởi 20 liên kết không giống nhau.2 Phân loại pectin Pectin thương mại có rất nhiều loại từ nhiều nguồn khác nhau, tuy nhiên, pectin thường được phân loại dựa trên mức độ ester hóa (DE). DE biểu thị tỷ lệ mol của các nhóm methyl – esters có mặt so với các đơn vị galacturonic acid (cả acid tự do và được thay thế), có liên quan đến khả năng tạo gel của pectin, sức căng bề mặt và sự hình thành nhũ tương [7].
Phân loại theo DE, pectin được chia thành pectin methoxyl thấp (LMP) và pectin methoxyl cao (HMP). LMP có DE < 50% hoặc MeO < 7% [12], ứng dụng tạo gel trong các môi trường chứa cation hoặc trong một phạm vi pH rộng và điều kiện acid yếu [7]. 2 HMP có DE > 50% hoặc MeO > 7% [12], tạo gel ở điều kiện môi trường acid có pH trong khoảng 2,5 – 3,5 và nồng độ đồng chất tan cao [7]. Ngoài ra, Amidated Low Methoxyl Pectin (ALMP) là một dạng đặc biệt của pectin có chứa nhóm amid trong cấu trúc hóa học thay thế nhóm methyl – ester, điều này làm cho ALMP có tính chất khác biệt so với HMP và LMP giúp cải thiện tính chất và có nhiều ứng dụng khác [7].3 Tính chất của pectin Pectin tan trong nước tinh khiết, khi thêm bột pectin vào nước, dễ xảy ra hiện tượng vón cục, cần chú ý để tránh vón cục và tạo dung dịch đồng nhất.
Pectin không hòa tan trong một hệ dung dịch nước nếu nó sẽ tạo gel trong điều kiện tương tự. Pectin không tan được trong hầu hết các dung môi hữu cơ và trong các hỗn hợp nước có chứa dung môi hữu cơ với nồng độ đủ cao. Sự thay đổi nhiệt độ, hàm lượng pectin và pH có thể làm thay đổi độ hòa tan của pectin [13]. Quá trình gel hóa của pectin phụ thuộc vào các yếu tố như cấu trúc của pectin, hàm lượng đường, nhiệt độ, pH và tác nhân liên kết chéo.
Pectin có methoxyl cao và thấp có cơ chế gel hóa khác nhau, với pectin có methoxyl cao cần nồng độ đường cao và điều kiện acid, trong khi pectin có methoxyl thấp cần sự hiện diện của các cation hóa trị hai và không cần đường để tạo gel [13], [9]. Độ hòa tan Pectin tồn tại như một mạng lưới polysaccharide. Một phần của mạng lưới này có thể được hòa tan trong nước mà không cần phá hủy cấu trúc trong thành tế bào, do những pectin này không bị ràng buộc chặt chẽ với thành tế bào. Chúng không mang điện tích, hoặc không có ion tích điện dương (cation) hoặc âm (anion) trong cấu trúc và không tạo ra liên kết cộng hóa trị với các thành phần khác trong thành tế bào thực vật [9].
Các pectin liên kết với thành tế bào thông qua các liên kết ion, ví dụ như liên kết ion giữa pectin và các ion canxi (Ca²⁺). Các ion canxi này giúp tạo ra các liên kết ion giữa các chuỗi pectin và thành tế bào, giữ chúng lại với nhau. Loại pectin này hòa tan trong imidazole [14], [9]. 3 Các polysaccharide pectin khác trong thành tế bào thực vật được liên kết bằng các liên kết ester cộng hóa trị.
Dung dịch kiềm sẽ phá vỡ các liên kết ester, giúp pectin hòa tan và tách ra khỏi thành tế bào [9]. Tạo gel Quá trình tạo gel là một hiện tượng hóa học phức tạp, trong đó một phần của pectin hòa tan trong dung dịch và một phần khác kết tủa. Kết quả là một mạng lưới ba chiều được hình thành gồm các phân tử polymer liên kết chéo, giữ nước và các phân tử dung môi [15]. Nguồn gốc và phương pháp chiết xuất có tác động lớn và cấu trúc và tính chất của pectin, bao gồm khả năng tạo gel và độ nhớt [16].
Khả năng tạo gel của pectin được quyết định nhờ các yếu tố như cấu trúc, lượng đường, độ pH, nhiệt độ và tác nhân liên kết ngang [17]. Khả năng liên kết của pectin methoxyl cao được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất các sản phẩm như kẹo và thực phẩm có độ ẩm trung bình, duy trì sự ổn định lâu dài kể cả nhiệt độ môi trường cao. Sự ổn định này phần lớn là kết quả của liên kết hydro và lực kỵ nước, cả hai đều không phụ thuộc vào nhiệt độ. Pectin methoxyl cao tạo thành gel khi nồng độ đường cao (> 55%) và pH < 3,5 [16].
Ngược lại, cơ chế tạo gel trong pectin có hàm lượng methoxyl thấp và amide hóa khác với cơ chế tạo gel ở pectin có hàm lượng methoxyl cao, vì chúng thiếu liên kết hydro. Thay vào đó, giữa các phân tử hình thành các dimmers thông qua các cation hóa trị hai như Ca2+, Fe2+ và Zn2+ … dẫn đến liên kết chéo thông qua hai nhóm carboxylic trong cấu trúc được gọi là mô hình “egg box” [18]. Pectin methoxyl thấp có thể tạo thành gel ở mức độ pH cao hơn, từ 3 đến 7, và không giống như pectin methoxyl cao, không cần thêm đường để tạo gel [19]. Độ nhớt Dung dịch pectin có tính chất phi Newton và độ nhớt bị ảnh hưởng bởi các ion, pH và nhiệt độ.
Các cation đa hóa trị (như Ca²⁺) tăng độ nhớt của dung dịch pectin (trừ các dung dịch rất loãng), các cation đơn hóa trị thường có tác dụng ngược lại. Tuy nhiên, pectate hoặc pectin có mức độ ester hóa rất thấp có thể tạo ra dung dịch nhớt hoặc gel 4 với K+. Độ nhớt của dung dịch pectin không có Ca²⁺ liên quan ngược lại với pH, nếu có Ca²⁺, độ nhớt sẽ tăng theo pH trong hầu hết các trường hợp [13], [9].4 Các phương pháp chiết xuất pectin Nguyên liệu thô như vỏ trái cây, bã, hạt… để chiết xuất pectin thường có độ ẩm cao, dễ bị vi sinh vật phân hủy, gây ra nhiều khó khăn trong quá trình chiết xuất. Hiện nay, có rất nhiều phương pháp chiết xuất được áp dụng để sản xuất pectin một cách hiệu quả, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường.
Chiết xuất bằng nước Trong thành tế bào thực vật có một số pectin tự do, chúng có thể được chiết xuất bằng nước một cách dễ dàng [9]. Thời gian chiết lâu trong môi trường nước nóng hiệu suất của quá trình càng tăng. Tuy nhiên, nếu chiết pectin ở nhiệt độ cao trong thời gian dài sẽ làm thoái hóa và phân hủy pectin do quá trình thủy phân, phân hủy nhiệt và tạo ra các sản phẩm phân hủy khác. Chiết xuất bằng nước có ưu điểm là an toàn vì trong quá trình này không sử dụng hóa chất độc hại giúp ngăn ngừa ô nhiễm và bảo vệ hệ sinh thái.
Tuy vậy, thời gian chiết có thể dài hơn và hiệu suất thấp hơn so với các phương pháp khác. Chiết xuất bằng acid Chiết xuất pectin bằng acid là phương pháp hiệu quả và được sử dụng phổ biến để thu hồi pectin từ nguyên liệu thực vật. Quá trình này sử dụng dung dịch acid để phá hủy cấu trúc của thành tế bào thực vật và giải phóng pectin [9]. Phương pháp này cho hiệu suất chiết xuất pectin cao, quy trình đơn giản và có thể áp dụng trên quy mô công nghiệp, pectin thu được có chất lượng tốt và phù hợp với nhiều ứng dụng trong ngành thực phẩm [20].
Tuy nhiên, phương pháp này có một số hạn chế bao gồm kiểm soát nghiêm ngặt nhiệt độ, pH và thời gian để tránh phân hủy pectin. Việc sử dụng acid và cồn có thể tạo ra chất thải nguy hiểm ảnh hưởng đến sức khỏe và môi trường, do đó cần có các đề xuất xử lý acid thải ra một cách an toàn để giảm tác hại đến môi trường hoặc có thể thay thế bằng các acid hữu cơ như acid citric… [21]. Chiết xuất bằng enzyme Các enzyme như pectinase, cellulase hoặc hemicellulase được sử dụng để phá vỡ cấu trúc trong thành tế bào thực vật, giải phóng pectin [22]. Quá trình chiết xuất bằng 5 enzyme diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn (30 – 50 °C) và pH thích hợp, tránh ảnh hưởng từ nhiệt độ cao và thời gian dài như thủy phân, khử ester hóa và phân hủy cấu trúc pectin [23].