CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CARRAGEENAN TỪ RONG BIỂN TRÊN THẾ GIỚI 1. Lịch sử nghiên cứu carrageenan Carrageenan là tên chung cho một nhóm các polysaccharide sulfate thu được bằng cách chiết rong đỏ, carrageenophyte. Cấu trúc của carrageenan bao gồm các dimer D-galactose và 3,6-anhydrogalactose tham gia vào một polymer mạch thẳng với liên kết luân phiên của β-D-Galactosepyranose qua liên kết 1-3 và α-D-Galactosepyranose qua liên kết 1-4 [1].
Carrageenan được sử dụng như một chất keo, chất ổn định và cũng là chất thay thế chất béo trong ngành công nghiệp thực phẩm, đặc biệt là trong các sản phẩm sữa. Các loài rong biển khác nhau chiết xuất ra các loại carrageenan khác nhau. Các loài rong có chứa carrageenam xuất hiện hầu hết các vùng biển, những vùng biển nhiệt đới thường được chọn để nuôi trồng các loài rong có carrageenan vì chúng sinh sản nhanh nhất ở các vùng biển ấm như ở Philippines, Indonesia, Ấn Độ, Brazil, nam Trung Quốc và các nước nhiệt đới, cận nhiệt đới khác. Từ những năm 1930, quá trình tách chiết carrageenan nguyên chất đã được tiến hành ở Mỹ.
Sau thế chiến thứ hai, sự phát triển của ngành công nghiệp thực phẩm dẫn đến nên nhu cầu về carrageenan trên thế giới ngày càng tăng lên. Vào những năm 1950, những nghiên cứu về carrageenan đã cho thấy rằng sự khác nhau về các phân đoạn của carrageenan là kết quả của nhiều loại carrageenan khác nhau và cũng trong thời gian này người ta đã xác định được cấu trúc phân tử của carrageenan. Đến ngày nay thì người ta đã biết thêm nhiều loại rong có khả năng sản xuất carrageenan. Những nghiên cứu chi tiết về các loài rong này đã cho phép chúng có thể trồng trên quy mô lớn và nhờ đó đáp ứng đươc nhu cầu nguyên liệu cho ngành công nghiệp sản xuất carrageenan.
Luan van 10 Ngành công nghiệp carrageenan đóng một vai trò quan trọng cho kinh tế của nhiều hộ gia đình trên toàn thế giới. Trồng rong biển để sản xuất các sản phẩm như carrageenan đã trở thành sinh kế ưa thích của nhiều nông dân, đặc biệt là ở vùng khí hậu nhiệt đới vì trồng rong biển cần ít vốn và thiết bị, mất ít thời gian hơn các sản phẩm khác. Nông dân có thể duy trì nguồn rong biển của riêng họ, một mặt hàng có lợi nhuận ổn định ở các cộng đồng ven biển ở các nước đang phát triển. Nguồn rong đỏ để sản xuất carrageenan Các loài rong đỏ Kappaphycus alvarezii, Kappaphycus striatus và Eucheuma denticulatum là nguồn nguyên liệu chính cho công nghiệp sản xuất carrageenan hiện nay.
Chúng chỉ được nuôi trồng thành công từ những năm 1970, trước đó người ta sử dụng loài Chondrus crispus là nguyên liệu chính để sản xuất carrageenan, tuy nhiên sản lượng loài này bị giới hạn do thu hoạch ngoài tự nhiên đến cạn kiệt mà việc nuôi trồng trong bể lại quá đắt đỏ. Việc nuôi trồng 2 loài rong đỏ K. striatus ở vùng nước ấm bắt nguồn từ Philippines, hiện nay đã mở rộng sang các nước vùng Đông Nam Á khác bao gồm Indonesia, Malaysia, Việt Nam và vùng lân cận Ấn Độ, Châu Phi, các đảo Thái Bình Dương. Riêng ở Việt Nam, năm 1993, Phân viện Vật liệu Nha Trang (nay là Viện Nghiên cứu và Ứng dụng công Nghệ Nha Trang) đã hợp tác di nhập giống rong sụn K.
alvarezii, tiến hành nghiên cứu nhân giống và thử nghiệm nuôi trồng ở vùng biển Khánh Hòa, Ninh Thuận. Từ đó đến nay nghề nuôi trồng rong sụn phát triển mạnh ở các tỉnh Khánh Hòa, Phú Yên, Ninh Thuận, Bình Định, Kiên Giang, trở thành một nghề mới, góp phần tạo công ăn việc làm cho hàng ngàn lao động [2]. Rong đỏ tươi thường có màu đỏ hoặc màu xanh đỏ nâu do trong rong có hai loại sắc tố là phycobilin (bao gồm phycocyanine có màu xanh tím, phycocythine có màu đỏ) và chlorophyll. Rong carrageenophyte thuộc loài đơn trụ chia thành 2 phần gồm phần lõi và phần da: Luan van 11 - Phần lõi: gồm một tế bào trung trụ chạy dọc thân từ gốc đến ngọn.
Xung quanh có từ 3 – 4 hàng tế bào vây trụ có kích thước lớn, hình tròn hay hình đa giác, trong suốt, vách mỏng chứa các chất dinh dưỡng (carrageenan). - Phần da: gồm nhiều tế bào nhỏ sắp xếp khít nhau, hình tròn hay hình bầu dục, không trong suốt, chứa đầy sắc tố. Ngoài cùng là lớp vỏ keo chứa cellulose, chiếm khoảng 4 % trọng lượng rong khô, đóng vai trò bảo vệ các lớp bên trong [3]. Ngày nay, sản xuất công nghiệp carrageenan không còn giới hạn vào chiết tách từ C.
crispus, mà rất nhiều loài rong đỏ thuộc ngành Rhodophyta đã được sử dụng. Những loài này gọi chung là carrageenophyte. Qua nhiều nghiên cứu, đã có hàng chục loài rong biển được khai thác tự nhiên hay nuôi trồng để sản xuất carrageenan. Tóm lại, carrageenan là một sản phẩm tự nhiên được chiết xuất từ nguyên liệu là rong đỏ thuộc họ Rhodophyceae, chủ yếu thuộc chi Chondrus, Eucheuma, Gigartina và Iridaea.
Mặc dù carrageenan được giới thiệu ở quy mô công nghiệp vào những năm 1930, nhưng chúng lần đầu tiên được sử dụng ở Trung Quốc vào khoảng năm 600 trước Công nguyên (nơi Gigartina được sử dụng) và ở Ireland vào khoảng năm 400 sau Công nguyên [4, 5]. Tính đến năm 2019, doanh số toàn cầu của carrageenan ước tính khoảng 741,9 triệu đô la [6]. Trong đó, các sản phẩm từ kappa-carrageenan chiếm đến khoảng 70% [6]. Các nguồn rong được sử dụng phổ biến nhất là Eucheuma cottonii (K.
striatus) và Eucheuma spinosum (E. denticulatum) đã cung cấp khoảng ba phần tư sản lượng rong chế biến carrageenan thế giới. Chúng phát triển từ mặt biển đến độ sâu khoảng 2 m. Rong đỏ thường được trồng trên các dây nylon căng giữa phao tre, và nó được thu hoạch sau ba tháng hoặc lâu hơn, khi mỗi cây nặng khoảng 1 kg.
cottonii đã được phân loại lại thành K. cottonii bởi Maxwell Doty (1988), qua đó giới thiệu chi Kappaphycus, trên cơ sở các loại phycocolloids được sản xuất (cụ thể là kappa-carrageenan). Cấu trúc và tính chất hóa lý của carrageenan 1. Cấu trúc hóa học chung của carrageenan Carrageenan có cấu trúc chung gồm D-galactose và 3,6- anhydrogalactose tham gia vào một polymer mạch thẳng với liên kết luân phiên của β-D-Galactosepyranose qua liên kết 1-3 và α-D-Galactosepyranose qua liên kết 1-4 (Hình 1.
Cấu trúc chung của carrageenan [7] Carrageenan có thể phân thành các loại như sau: mu, kappa, nu, iota, lambda, theta, beta và xi. Các loại carrageenan này chỉ khác nhau ở mức độ sulfate hoá, vị trí sulfate hoá, mức độ dehydrate hoá của chuỗi polysaccharide, các loại carrageenan được mô tả trong Hình 1. Luan van 13 Hình 1. Cấu trúc của các dạng carrageenan [8] Luan van 14 Carrageenan chiết tự nhiên từ các loài rong khác nhau có thể là hỗn hợp khác nhau của các loại carrageenan đã nêu ở trên.
Người ta phân chia carrageenan ra hai nhóm chính: nhóm 1 chứa các loại mu, nu, kappa, iota, beta và các dẫn xuất của chúng. Các carrageenan thuộc nhóm này tạo gel với ion K+ hoặc có thể xử lý kiềm để có tính chất tạo gel, chúng có đặc điểm là gốc đường có liên kết 1,3 hoặc không có nhóm sulfate hoá ở vị trí C4. Nhóm thứ 2 là lambda, xi, theta và các dẫn xuất của chúng. Các carrageenan ở nhóm này không có khả năng tạo gel ngay cả trước và sau khi xử lý kiềm.
Đặc trưng của cấu trúc ở nhóm này là cả hai loại gốc đường liên kết 1,4 và 1,3 đều có nhóm sulfate ở ví trí C2. Ngoài ra, thành phần của carrageenan gồm có HOSO3-, Ca2+ và 3,6-anhydro D-Galactose. Dạng tồn tại của carrageenan trong rong đỏ gắn với Ca2+, K+, Na+ như: R=(OSO3)2Ca hoặc R-OSO3Na, ROSO3K (R là gốc polysaccharide). Hàm lượng sulfate cũng ảnh hưởng đến sức đông của carrageenan [9].
Hiện nay carrageenan có 3 loại phổ biến là: kappa-carrageenan, lambda-carrageenan, iota-carrageenan, trong đó kappa-carrageenan chiếm thị phần lớn nhất (70 %). Sự khác nhau của các loại carrageenan trên ở vị trí và số lượng nhóm ester sulfate đính vào chuỗi polysaccharide, do đó mỗi loại có tính chất vật lý và hoá học đặc trưng khác nhau [9]. Hai thành phần hóa học ảnh hưởng lớn đến chất lượng của carrageenan là hàm lượng 3,6-anhydrogalactose và hàm lượng sulfate: - Hàm lượng 3,6-anhydrogalactose trong thành phần carrageenan ảnh hưởng đến độ bền gel, hàm lượng 3,6-anhydrogalactose càng cao thì độ bền gel càng lớn và ngược lại. - Hàm lượng sulfate ảnh hưởng đến độ nhớt của carrageenan, hàm lượng sulfate càng cao thì độ nhớt càng lớn và ngược lại.
Trong công nghiệp, người ta thiết kế quy trình chiết xuất nhằm đạt được carrageenan có hàm lượng 3,6-anhydrogalactose và hàm lượng sulfate theo nhu cầu về độ bền gel và độ nhớt tương ứng. Tính chất của carrageenan - Ảnh hưởng của môi trường kiềm Môi trường kiềm có ảnh hưởng lớn đến trạng thái cấu tạo hoá học của carrageenan, cụ thể trong môi trường kiềm, nhóm (OSO3-) bị khử tách dần khỏi cấu trúc của carrageenan. Tùy thuộc vào mức độ tách nhóm (OSO3-) từ carrageenan ban đầu sẽ hình thành nên cấu trúc của một loại carrageenan khác với ban đầu [9, 10, 11]. - Mang điện tích âm Carrageenan là một polymer mang điện tích âm nên bị ngưng kết khi có mặt của các đại phân tử mang điện tích dương như: methylen xanh, safranine, phẩm màu azo thiazo khác, tính chất này giống như một vài alkaloid và protein.
Mặt khác, carrageenan còn có khả năng kết tủa khi có mặt của ethanol nồng độ cao (ethanol đóng vai trò là tác nhân dehydrate hoá). Do vậy, người ta có thể sử dụng ethanol nồng độ cao để kết tủa thu carrageenan [9, 10, 11]. - Tính tan Carrageenan là hợp chất cao phân tử (polysaccharide) có cực nên hydrate hóa và hòa tan tốt trong môi trường có cực, chẳng hạn như nước. Khi carrageenan hút nước sẽ xảy ra hiện tượng hydrate hóa và dẫn tới sự hòa tan.
Khi hòa tan trong nước, carrageenan tạo thành dung dịch lỏng, sánh. Do vậy, người ta sử dụng đặc tính này để làm tăng khả năng ổn định của các hỗn hợp thực phẩm lỏng hay dung dịch thực phẩm hoặc làm tăng khả năng hydrate hóa của các loại thuốc [12]. Carrageenan tan trong anhydrous hydrazine (N2H4), ít tan trong formamide (CH3NO) và methyl sulfoxide ((CH3)2SO), không tan trong dầu và dung môi hữu cơ. - Sự tạo gel (gelation) Khả năng keo hoá của carrageenan nằm trung gian giữa agar và gelatin, gần giống gelatin hơn.
Sự hình thành gel của dung dịch carrageenan là một Luan van 16 quá trình nhiệt thuận nghịch. Khi nhiệt độ cao hơn giá trị nhiệt độ tạo gel thì gel sẽ tan (cân bằng bị phá vỡ). Khả năng hình thành gel của carrageenan phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ dung dịch, loại và số lượng muối có mặt trong dung dịch. Ngoài ra, tính chất tạo gel còn phụ thuộc vào loài rong, công nghệ sản xuất, hàm lượng 3,6-anhydrogalactose và hàm lượng sulfate.