CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN -10- Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Lê Thị Hồng Nhan 1 TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ PECTIN: 1.1 Nguồn gốc: Pectin là tên gọi bắt nguồn từ chữ “pekticok” trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là làm đông tụ hoặc làm đóng rắn. Pectin thực chất là một polysaccaride có trong thực vật, nó tham gia xây dựng nên cấu trúc của tế bào. Trong thực vật, Pectin chiếm khoảng 1/3 lượng chất thành tế bào của cây.
Pectin có mặt trong củ quả, thân cây. Các nhà nghiên cứu đã tìm thấy pectin chủ yếu trong thành tế bào thực vật, đặc biệt là ở khu vực giữa các các phiến thành tế bào, khu vực này được gọi là lamela [1]. Pectin đóng vai trò vận chuyển nước và lưu chất cho quả đang trưởng thành, duy trì hình dáng và ổn định cấu trúc quả. Tiền thân của pectin là protopectin không tan trong nước và có nhiều trong mô trái cây còn xanh, quá trình chín sẽ kèm theo sự thủy phân protopectin thành pectin.
Sau đó kết hợp với sự demetyl hóa và sự depolymer hóa của pectin thành pectate và cuối cùng là các loại đường hòa tan và acid. Tỉ lệ pectin trong các loài thực vật rất khác nhau phụ thuộc vào điều kiện môi trường, bộ phận, tuổi, bản chất của thực vật… Điều này dẫn đến có nhiều nguồn nguyên liệu thô để sản xuất pectin cho ngành công nghiệp. Tuy nhiên, khả năng của pectin để tạo thành gel sẽ giới hạn số lượng các nguồn được sử dụng để sản xuất pectin thương mại [2]. Hai nguồn pectin thương mại sử dụng phổ biến là vỏ cam quýt và bã táo.
Nguồn nguyên liệu này là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất nước trái cây và chứa khoảng 20g/100g nguyên liệu. Táo chứa 10-15% pectin tính trên một cơ sở vật chất khô, vỏ cam quýt chứa từ 20-30%. Gel pectin từ bã táo có độ nhớt cao hơn từ vỏ cam chanh, nhưng pectin từ vỏ cam chanh có màu sáng hơn. Pectin từ vỏ cam chanh được chấp nhận sử dụng trong jelly [2].
Các nguồn khác để khai thác pectin là củ cải đường, bã hướng dương (hạt giống được sử dụng cho dầu ăn) và vỏ xoài. Các loại trái cây khác có chứa pectin cũng đã được nghiên cứu -11- Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Lê Thị Hồng Nhan Bảng 1.1 : Hàm lượng pectin trong các loại trái cây [2] Nguyên liệu Hàm lượng pectin (g/100g) Táo 0.57 Củ cải đường 15 Hạt hướng dương 25 Khoai tây 0.2 Cấu trúc: Pectin được phát hiện cách đây hơn 200 năm nhưng sự hiểu biết của con người về thành phần và cấu trúc của pectin chưa thật đầy đủ. Nhiều nghiên cứu kết luận rằng thật là khó khăn để xác định cấu trúc của pectin do sự thay đổi thành phần trong suốt quá trình phân tách pectin ra từ thực vật và khi bảo quản pectin.
Hiện nay, pectin được xem như là một chuổi thẳng các polysaccharide (rất giàu acid galacturonic) và có chứa liên kết 1,4- α-D-galacturonic acid (Gal A). [1] -12- Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Lê Thị Hồng Nhan Hình 1.1: Một đoạn lặp đi lặp lại của phân tử pectin và các nhóm chức[4] Ba loại pectin đã được báo cáo gồm: homogalacturonan (HG), rhamnogalacturonan -I (RG-I), rhamnogalacturonan RG-II) [3]. Loại thứ nhất gọi là Homogalacturonan (HG) là một chuỗi thẳng của liên kết 1,4-α-D-galacturonic acid (GalA) trong đó một số nhóm acid được ester hóa với methanol.
Loại thứ hai của được gọi là Rhamnogalacturonan I (RG-I). RG-I có chuỗi xen kẽ các đơn vị GalA và α-D-Rhamnose (Rha). Trong khi HG có liên kết 1,4 glycosidic dọc theo toàn chuỗi, RG-I gồm liên kết 1,2 (C1 trên GalA, C2 trên Rha) và liên kết 1,4 (C1 trên Rha và C4 trên GalA). RG-I có một phần O-acetyl hóa ở vị trí O-2 hoặc O-3 của GalA nhưng cho đến nay, không có bằng chứng đã được báo cáo về sự hiện diện của ester methyl trong chuỗi RG-I.
Loại thứ ba của pectin được gọi là Rhamnogalacturonan II (RG-II). RG-II không liên quan đến cấu trúc RG-I bởi vì nó bao gồm liên kết 1,4- α-D-galacturonic acid như HG. Chuỗi chính của nó được thế bằng một loạt các chuỗi bên phức tạp, có chứa một loạt các đường trung lập. -13- Luận văn thạc sĩ GVHD: TS.
Lê Thị Hồng Nhan Hình 1.2: Một đơn vị cấu trúc của RG-I với sự xen kẽ của liên kết 1,2 và 1,4-glycosidic[2] Trong tự nhiên, khoảng 80% các nhóm cacboxyl của galacturonic acid được este hóa với methanol. Tỉ lệ các nhóm GalA được este hóa so với tổng các nhóm GalA được gọi là mức độ este hóa (DE). Pectin được phân thành 2 loại: loại có số nhóm methoxy cao (HM, > 50%) và loại có nhóm methoxy thấp (LM, <50%).3 Tính chất của pectin: Pectin không tan trong cồn nhưng lại hòa tan được trong nước. Muối cation hóa trị I (kim loại kiềm) của acid pectinic và pectic thường hòa tan trong nước; muối cation hóa trị II và hóa trị III khó hòa tan hoặc không hòa tan.
Bột pectin khô, khi cho vào nước có một xu hướng hydrate rất nhanh chóng và tạo thành khối. Mức độ polyme hóa và số lượng, phân phối của các nhóm methoxyl là hai yếu tố quyết định độ tan trong nước. Nó đã được báo cáo rằng việc giảm trọng lượng phân tử và gia tăng các nhóm cacboxyl ester hóa sẽ dẫn đến sự gia tăng độ hòa tan. Tuy nhiên, các yếu tố khác như pH, nhiệt độ, bản chất và nồng độ của chất tan cũng ảnh hưởng đáng kể vào tính hòa tan [5].
Giống như tính hòa tan, độ nhớt của dung dịch pectin bị ảnh hưởng bởi trọng lượng phân tử, DE, nồng độ, độ pH và sự hiện diện của các ion trong dung dịch. Người ta tìm thấy rằng tăng độ nhớt khả năng tạo gel mạnh, độ hòa tan giảm và ngược lại. Vì vậy, có một mối quan hệ giữa độ nhớt, độ hòa tan và độ tạo gel[6]. Pectin là tương đối ổn định trong điều kiện acid nhưng giảm trong môi trường trung tính hoặc hơi kiềm [5].
-14- Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Lê Thị Hồng Nhan Pectin có thể bị phân hủy một cách tự nhiên bởi quá trình deester hóa và depolymer hóa, tỷ lệ phân hủy phụ thuộc vào pH, hoạt độ của nước và nhiệt độ. Nói chung, dịch pectin đạt độ ổn định cao nhất được tìm thấy tại pH = 4. Ở pH thấp hơn 3 và nhiệt độ cao liên kết glycosidic bị thủy phân và pectin bị suy thoái.5, HMP ổn định ở nhiệt độ phòng.
Ở nhiệt độ cao cả độ nhớt và tính chất gel bị mất do sự phân cắt chuỗi bằng cách β-elimination. Trong phản ứng này chỉ liên kết glycosidic thuộc nhóm carboxyl ester hóa bị phá vỡ do đó LMP ổn định hơn nhờ hàm lượng methoxyl thấp. Vì vậy, bột HMP dần dần mất đi khả năng để tạo thành gel nếu được lưu trữ trong điều kiện ẩm ướt hay ấm trong khi LMP ổn định và giảm không đáng kể sau một năm lưu trữ tại nhiệt độ phòng [4].4 Cơ chế tạo gel của pectin Khả năng tạo gel phụ thuộc chủ yếu vào 2 yếu tố: chiều dài chuỗi pectin và mức độ mức độ methoxyl hóa. - Chiều dài phân tử quyết định độ cứng của gel.
- Mức độ methoxyl hóa quyết định cơ chế tạo gel.1 Pectin methoxyl hóa cao (High Methoxy Pectin:HMP) Sự tạo thành gel của HMP xảy ra khi có mặt đường và acid. Sự đông tụ của phân tử pectin do hai cơ chế quan trọng được đề cập đến là liên kết hydro và các tương tác của các nhóm kỵ nước. Liên kết hidro giữa các nhóm cacboxyl tự do trên các phân tử pectin và giữa các nhóm hydroxyl của các phân tử lân cận. Ở pH trung tính hay cao hơn, nhóm acid carboxylic không được ester hóa tồn tại dạng COO¯ và muối ion.
Những nhóm điện tích âm kết hợp với các nhóm hydroxyl để hút lớp nước. Tác động của điện tích âm sinh ra lực đẩy giữa các nhóm và ngăn ngừa sự hình thành của mạng lưới pectin. Khi pH giảm, COO¯ chuyển đổi COOH và làm giảm lực đẩy tĩnh điện. Giảm số lượng điện tích âm không chỉ làm giảm liên kết giữa pectin và các phân tử nước, mà còn làm cho phân tử pectin để đến gần nhau hơn.
Thêm vào đó, sự hiện diện của đường ngăn ngừa sự hydrat hóa của pectin. Khi giảm lực đẩy tĩnh điện, lượng đường -15- Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Lê Thị Hồng Nhan trong dung dịch có thể được giảm .Tốc độ mà hình thành gel cũng bị ảnh hưởng bởi mức độ của este hóa. DE cao thì gel hình thành nhanh hơn [2].2 Pectin methoxyl hóa thấp (Low Methoxy Pectin :LMP) Cơ chế tạo gel của LMP diễn ra bằng liên kết ion thông qua cầu nối canxi giữa hai nhóm cacboxyl thuộc hai chuỗi khác nhau tiếp xúc gần nhau.
Mô hình "egg-box” được coi như là cơ chế chính của sự hình thành gel LMP, lần đầu tiên được đề xuất cho alginates bởi Grant và đồng nghiệp vào năm 1973 [2]. Hai chuỗi HG và cation hóa trị II phổ biến là Ca2+ sẽ hình thành liên kết ngang bởi các nhóm COO¯ của đơn vị GalA trong mỗi chuỗi (hình 2.3 : Canxi liên kết với chuỗi polygalactoronate [2] Mức độ este hóa có vai trò chủ yếu quan trọng trong cơ chế tạo gel. Việc giảm mức độ este hóa hoặc liên kết ion tăng dẫn đến sự hình thành chuỗi pectin đối với canxi. Sự hiện diện của các nhóm acetyl ngăn ngừa hình thành gel nhưng làm hệ nhũ tương ổn định.
Nồng độ canxi ảnh hưởng đến gel. Cấu trúc của các gel có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh tỷ lệ ion và pectin. Khi nồng độ pectin cao cùng với hàm lượng canxi tương đối thấp sẽ cho gel có tính đàn hồi, trong khi nếu sử dụng canxi nhiều hơn pectin sẽ tạo cho gel sản xuất thêm nhiều gel cứng, giòn. Quá trình tạo gel còn chịu ảnh hưởng bởi trọng lượng phân tử của pectin (nếu chuỗi pectin quá ngắn thì gel sẽ yếu mặc dù sử dụng ở liều lượng cao) [2].
-16- Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Lê Thị Hồng Nhan 1.5 Ứng dụng: Pectin là một polysaccharide quan trọng đã được sử dụng thành công trong nhiều năm trong ngành công nghệ thực phẩm và nước giải khát. Khả năng tiêu thụ pectin trên toàn thế giới đang ngày càng tăng với một tốc độ đáng kinh ngạc. Do các tính chất đặc biệt của mình mà pectin ngày nay còn được ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác như trong dược phẩm và mỹ phẩm.1 Trong thực phẩm: Vì được xem như là một chất phụ gia an toàn không có giới hạn về tiêu thụ hàng ngày chấp nhận được nên pectin được cho phép sử dụng ở tất cả các nước trên thế giới.
Một trong những ứng dụng biết đến và sớm nhất của pectin là do thuộc tính tạo gel.
