Chương 1. Giới thiệu chung về glucomannan 1. Nguồn gốc, cấu trúc glucomannan Glucomannan là một polysacarit mạch thẳng gồm các mắt xích D-mannose và D-glucose liên kết với nhau bằng liên kết β-(1→ 4) glycosid, được tách từ củ (thân củ) của một số loài Nưa (Amorphophallus sp. - họ Ráy), cây lô hội (Aloe vera) và trong một số loại rong biển.
Các mạch nhánh có thể chiếm khoảng 8% thông qua liên kết β-1,3-glycosid và β-1,6-glycosid. Trên một số nguyên tử C6, nhóm OH được axetyl hóa với độ axetyl hóa (degree of acetylation) khoảng 5÷10%. Tỷ lệ mannose/glucose phụ thuộc vào nguồn gốc glucomannan và thường dao động từ 1,6/1 đến 3,6/1. Glucomannan là một polysacarit với nhiều tính chất quý như khả năng tương hợp và phân hủy sinh học, có khả năng hình thành gel thuận nghịch và không thuận nghịch, khối lượng phân tử khoảng 200÷2000 kDa [2-9] Hình 1.
Cấu trúc hóa học của glucomannan 1. Tính chất vật lý của glucomannan Dạng tồn tại: Ở điều kiện thường, tùy thuộc vào phương pháp tách chiết, glucomannan tồn tại ở dạng bột màu trắng đến vàng. Tính tan: Khi tồn tại ở dạng tinh thể, trật tự sắp xếp của polyme không phải là của ion, nguyên tử, phân tử như ở các nhóm vật liệu khác mà là của mạch phân tử. Trong polyme tinh thể các mạch sẽ sắp xếp sao cho các nguyên tử ở trong một trật tự nhất định.
Mức độ kết tinh của polyme dao động rất mạnh từ không (0) đến gần 3 luan an như hoàn toàn (95%) phụ thuộc vào tốc độ làm nguội khi đông rắn và hình thái cấu tạo của mạch. Để có sắp xếp trật tự, polyme phải được làm nguội chậm để các mạch có thời gian chuyển động và sắp xếp lại theo trật tự. Đặc điểm chung của các polysacarit là trong mạch phân tử chứa nhóm chức hydroxyl có khả năng tạo liên kết hydro chặt chẽ. Đây là nguyên nhân chính tạo nên tính chất kết tinh của polyme.
Khi tồn tại ở trạng thái kết tinh, polysacarit khó hòa tan, khó tham gia phản ứng hóa học nên khả năng ứng dụng bị hạn chế. Khi ở dạng cấu trúc vô định hình, polyme có diện tích bề mặt riêng lớn, dễ tan trong nước và trong một số hệ dung môi, dễ tham gia các phản ứng hóa học…[29] Tùy thuộc vào nguồn gốc cấu trúc khác nhau mà glucomannan có độ tan khác nhau. Glucomannan tách từ cây A.konjac tan tốt trong nước trong khi glucomannan tách từ cây A.paeoniifolius không tan trong nước. Yếu tố quyết định tính tan của glucomannan chính là khối lượng phân tử và độ axetyl hóa.
Glucomannan có độ axetyl hóa thấp, liên kết hydro trong mạch phân tử mạnh sẽ không tan trong nước, trong khi đó glucomannan có độ axetyl hóa cao, khả năng hình thành liên kết hydro nội và ngoại phân tử kém nên có khả năng tan trong nước. Glucomannan có DA≈0 hầu như không tan trong nước lạnh mà chỉ trương trong nước nóng hình thành dạng hồ hóa [30,31]. Glucomannan từ cây A.konjac có khả năng hấp thụ nước từ 100 - 200 lần, tạo ra dung dịch dạng dẻo nhớt, độ nhớt của dung dịch glucomannan 1% vào khoảng 5000 - 40000 mpas, cao nhất trong các tác nhân làm đặc có nguồn gốc tự nhiên [30, 31]. Glucomannan có độ axetyl hóa càng cao, khả năng hình thành gel càng giảm.
Glucomannan có độ axetyl hóa thấp, gel có thể hình thành khi được gia nhiệt. Glucomannan có khả năng tạo gel ổn định trong môi trường kiềm loãng như NaOH, Ca(OH)2 hay Na2CO3 có pH=9 10. Trong môi trường kiềm, quá trình hình thành gel xảy ra do sự deaxetyl hóa nhóm axetyl trong mạch đại phân tử. Sự thay đổi cấu trúc này tạo điều kiện cho việc thiết lập các liên kết hydro, hình thành các tương tác kỵ nước giữa các phân tử glucomannan.
Kết quả của quá trình này là hình thành cấu trúc mạng lưới không gian hay cấu trúc gel của glucomannan [32–36]. 4 luan an Dung dịch konjac glucomannan loãng không tạo gel ở nhiệt độ thường. Konjac glucomannan còn có khả năng tạo gel tốt khi sử dụng phối hợp với các tác nhân tạo gel khác như alginat, carrageenan, xanthan…[37,38] Khối lượng phân tử: Khối lượng phân tử của polyme là một đại lượng quan trọng ảnh hưởng đến tính chất cơ-lý-hóa của polyme như: độ bền cơ học, tính chất đàn hồi, độ mềm dẻo, khả năng hòa tan…Khối lượng phân tử trung bình của polyme là đại lượng mang tính chất thống kê trung bình và được biểu diễn qua 3 giá trị: Khối lượng phân tử trung bình số Mn, khối lượng phân tử trung bình khối Mw và khối lượng phân tử trung bình nhớt Mv. Để xác định khối lượng phân tử trung bình của polyme người ta có thể dùng phương pháp trực tiếp như: đo độ thẩm thấu hoặc phương pháp gián tiếp như: đo độ nhớt.
Theo các nghiên cứu, glucomannan có khối lượng phân tử trung bình từ 200 2000 kDa tùy thuộc vào nguồn gốc và phương pháp tách chiết [39–41]. Tính chất hóa học của glucomannan Trong mạch đại phân tử glucomannan có chứa các nhóm chức có khả năng tham gia các phản ứng hoá học khác nhau, gồm: phản ứng thủy phân liên kết β- (14) glycosid, phản ứng ở nhóm hydroxyl (-OH) và nhóm axetyl (CH3CO-). Phản ứng thủy phân cắt liên kết β-(14) glycosid Glucomannan bị đề polyme hóa với sự cắt đứt các liên kết β-(14) glycosid trong phân tử tạo ra các oligoglucomannan và cuối cùng là D-mannose và D- glucose, tác nhân thủy phân có thể là axit hoặc enzym. Trong số các phương pháp thủy phân hợp chất cao phân tử thì phương pháp sử dụng tác nhân axit kết hợp tiền xử lý mẫu bằng rung siêu âm (sonication) cho phép nhận được sản phẩm có sự phân bố khối lượng phân tử đồng đều hơn so với các phương pháp khác.
Sử dụng rung siêu âm đơn thuần cũng có thể thủy phân mạch glucomannan mà không gây ra bất kỳ thay đổi nào đến cấu trúc hóa học của nó. Một số hệ enzym như: β-mananase, β-manosidase, β-glucosidase có thể phân cắt chọn lọc liên kết β-(1 4) glycosid của glucomannan tạo ra oligome có 5 luan an khối lượng phân tử thấp mà vẫn giữ được các đặc tính và tác dụng sinh học quý của glucomannan ban đầu [23,25]. Phản ứng deaxetyl hoặc axetyl hóa Tác giả Chen và các cộng sự đã thực hiện phản ứng đề axetyl hóa glucomannan bằng các tác nhân khác nhau như NaOH, Na2CO3, Na3PO4, Ca(OH)2 và sử dụng glucomannan đã đề axetyl hóa làm chất tạo màng. Kết quả cho thấy, độ đề axetyl hóa có ảnh hưởng đến các tính chất cơ lý của màng glucomannan.
Phản ứng này cũng được Lui và cộng sự đã thực hiện tạo sản phẩm không tan trong nước hấp phụ tanin [42]. Nhiều tác giả đã sử dụng NaOH để thủy phân nhóm acetyl của glucomannan ở pH >10. Solo-de-Zaldívar và cộng sự đã thủy phân glucomannan bằng KOH ở pH = 10,7 nhiệt độ 30oC trong thời gian 3 giờ thu được sản phẩm glucomannan đề acetyl hóa có khả năng tạo màng có khả năng hấp thụ nước tốt [44]. Phản ứng este hóa Các nhóm hidroxyl (-OH) của phân tử glucomannan có khả năng phản ứng với các anhidrit axit hoặc clorua axit tạo ra các este của glucomannan [45].
Phản ứng ete hóa Nhóm hydroxyl (-OH) của phân tử glucomannan có thể tham gia phản ứng với các tác nhân như halogen ankyl axit để tạo thành các sản phẩm dạng ete của glucomannan [46]. Phản ứng đồng trùng hợp ghép Konjac Glucomannan có khả năng tham gia phản ứng đồng trùng hợp ghép với một số monome khác nhau như: metylmetacrylat, axit acrylic, acrylamit.dưới tác dụng của chất khơi mào gốc như hidropeoxit, KMnO4/axit oxalic.Phản ứng xảy ra theo cơ chế gốc. Tác giả Li-Gui Chen và cộng sự đã tổng hợp hydrogel trên cơ sở glucomannan ghép với axit acrylic (AA) [47] (Sơ đồ 1. Phản ứng tổng hợp hydrogel trên cơ sở glucomannan ghép với axit acrylic (AA) 1.
Hoạt tính sinh học và tác dụng dược lý của glucomannan Vai trò của các chất xơ hòa tan đối với sức khỏe ngày càng được nhắc đến nhiều với các bằng chứng khoa học. Chất xơ nghèo năng lượng cho cơ thể, bản thân nó không cung cấp chất dinh dưỡng cũng như không được tiêu hóa tại ruột nhưng sự hiện diện của nó đã đem lại nhiều lợi ích đối với sức khỏe, phòng chống nhiều bệnh chuyển hóa. Chất xơ hòa tan khi vào trong ruột có tác dụng như chiếc chổi quét các chất béo không có lợi như cholesterol ra khỏi ruột, hạn chế hấp thu chúng vào máu do đó làm giảm đáng kể các chất béo trong máu, giảm được nguy cơ mắc bệnh tim mạch. Chất xơ có vai trò điều hòa sự hấp thu đường vào máu, nhờ vậy rất có lợi đối với bệnh nhân tiểu đường [48,49].
Theo nghiên cứu của Chearskul và cộng sự, glucomannan có tác dụng thỗ trợ điều trị bệnh tiểu đường tuyp 2 nhờ kìm hãm hormon ghrelin kích thích thèm ăn, và hormon leptin giúp điều hòa cảm giác đói và cân nặng [50]. Theo nghiên cứu của Chen và cộng sự bổ sung 3,6 g glucomannan/ngày trong 28 ngày có tác dụng hỗ trợ giảm đường huyết sau ăn, choleserol máu, lipit máu ở bệnh nhân tiểu đường tuýp 2 [51]. 7 luan an Theo một số công bố khác, glucomannan còn có thể hỗ trợ làm tăng độ nhạy của insulin, kiểm soát hội chứng kháng insulin, giảm nguy cơ mắc bệnh tim mạch ở bệnh nhân tiểu đường tuyp 2, giảm nồng độ lipit huyết tương và glucose máu, giảm cân và hỗ trợ điều trị cao huyết áp với liều sử dụng 1 ÷ 13 g/ngày [11,52]. Việc bổ sung KGM làm cải thiện nồng độ lipit máu bởi sự tăng bài tiết qua phân của các sterol trung tính, axit mật và làm giảm mức glucose tăng cao trong bệnh tiểu đường.
KGM có thể là chất bổ sung cho chữa trị bệnh tiểu đường kèm tăng lipit máu [51–55]. Do khả năng phân huỷ sinh học và tạo dạng gel, konjac glucomannan được sử dụng trong sản xuất mỹ phẩm, dược phẩm. Theo Kang Wang và cộng sự, vật liệu dạng hạt của alginat-KG-chitosan có thể được sử dụng làm chất mang để kiểm soát sự phân giải của thuốc [38]. KGM có khả năng tan trong nước tạo dung dịch có độ nhớt cao, tăng cường tính bám dính sinh học (bio-adhesive).
Peter và các cộng sự đã phát minh ra một hợp chất dược học có khả năng tăng cường khả năng bám dính sinh học, được làm bằng tổ hợp alginate, xanthan gum với glucomannan. Các hợp chất này có thể đáp ứng được cả hiệu quả bảo vệ và chữa lành tổn thương trên bề mặt màng nhày cho việc xử lý các rối loạn thực quản [56]. Chen và cộng sự đã công bố một phương pháp sử dụng carrageenan và glucomannan để cố định tế bào. Hỗn hợp bao gồm 4090% carrageenan và 6010% konjac glucomannan được phủ lên hạt gạo để thu được ngũ cốc dùng cho người ăn kiêng.