CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1. Tổng quan về pectin 1. Giới thiệu chung về pectin Thành tế bào thực vật được cấu tạo từ nhiều loại polysacccaride như cellulose, pectin, xyloglucan và cả protein. Các thành phần này gắn kết với nhau và tạo thành một mạng lưới không gian chặt chẽ.
Pectin chiếm một lượng khá lớn trong thành tế bào và chủ yếu nằm ở phiến giữa trong mô tế bào thực vật bậc cao [148]. Thành tế bào Pectin Màng tế bào Cellulose Hemicellulose Hình 1. Cấu tạo thành tế bào thực vật [148] 1. Cấu trúc và thành phần hoá học của pectin Giống như hầu hết các polysaccharide thực vật khác, thành phần hóa học của pectin thay đổi tùy theo nguồn nguyên liệu và điều kiện chiết tách.
Mặc dù pectin được phát hiện cách đây 200 năm nhưng thành phần và cấu trúc của pectin vẫn chưa được xác định rõ. Cấu trúc của pectin rất khó xác định vì pectin có thể thay đổi trong quá trình chiết tách, quá trình bảo quản, chế biến nguyên liệu thực vật [97]. Hiện nay, pectin chủ yếu là do các acid D-galacturonic tham gia tạo thành chuỗi polymer bằng liên kết α (1-4) glycosidic, trong đó có một số có nhóm carboxyl bị este hóa với methyl đối với pectin tự nhiên và trong một số loại pectin thương mại còn chứa cacboxamide (Hình 1. Tỉ lệ giữa lượng acid galacturonic este hóa với methyl so với tổng số đơn vị acid glacturonic hiện diện trong pectin được gọi là mức độ este hóa.
Dựa vào chỉ số DE có thể phân loại pectin thành hai nhóm: pectin có DE> 50% gọi là HMP, pectin có Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 6 DE< 50% gọi là LMP. Amidated pectin là pectin chiết tách bằng dung dịch amoniac, kết quả tạo ra sản phẩm có chứa các nhóm chức este với nhóm amide [101]. Tùy thuộc nguồn thực vật và phương pháp chiết tách mà mức độ methyl hóa trong pectin có thể khác nhau [18]. Một đoạn của phân tử pectin có nhóm chức năng: a) carboxyl và este; b) amide 1.
Tính chất của pectin Trong dung dịch, pectin xoay tròn và cong chiếm một khoảng không gian lớn, chúng thường xuyên va chạm với nhau, tạo ra ma sát, tiêu thụ năng lượng và do đó tạo ra độ nhớt. Khi có mặt của calcium, độ nhớt của dung dịch pectin tăng hơn 80 lần so với độ nhớt của dung dịch không có canxi vì canxi có thể tương tác với pectin để tạo gel [21], [139]. Tính chất độc đáo nhất của pectin là khả năng tạo gel với sự có mặt của đường và acid hoặc các ion Ca2+. Tính chất tạo gel này làm cho nó có một vai trò quan trọng trong nhiều sản phẩm thực phẩm.
Cơ chế tạo gel của pectin được điều chỉnh chủ yếu bởi mức độ este hóa. HMP tạo gel khi có mặt của đường và acid bằng cách giảm hiện tượng hydrate hoá. Khi thêm acid vào, các nhóm tích điện có khả năng ngậm nước cao chuyển thành Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 7 nhóm acid carboxylic ít ngậm nước và không tích điện. Việc giảm số lượng điện tích âm này không chỉ làm giảm lực hút giữa các phân tử pectin và nước mà còn làm giảm lực đẩy giữa các phân tử pectin.
Đường tiếp tục làm giảm khả năng hydrate hóa của pectin bằng cách cạnh tranh lấy nước. Những điều kiện này làm giảm khả năng phân tán của pectin [18], [21. Quá trình tạo gel của HMP và LMP được thể hiện như sơ đồ hình 1. Giá trị pK của pectin rất khác nhau tuỳ theo chỉ số DE của pectin, pectin có DE 65% thì pK 3,55 trong khi acid pectic có DE 0% thì pK 4,1 [101].
Khu vực mối nối Chuỗi mạch pectin Hình 1. Sơ đồ tạo gel của HMP [50] Sự tạo thành liên kết của nhiều chuỗi theo mô hình Sự tạo thành liên kết giữa 2 chuỗi “Hình hộp trứng” theo mô hình “Hình hộp trứng” Hình 1. Sơ đồ tạo gel của LMP [46] LMP tạo gel cần phải có cation hóa trị hai, thường là canxi. Ở LMP, tỉ lệ các nhóm COO- cao do đó các liên kết giữa những phân tử pectin sẽ được tạo thành qua cầu nối là Ca2+.
Cơ chế tạo gel của LMP được dựa trên mô hình “hộp trứng” như mô hình tạo gel ở hình 1. Cấu trúc của gel phụ thuộc vào nồng độ Ca2+ và gel này có tính đàn hồi [18], [21], [109]. Pectin có khả năng kết hợp với các polysaccharide khác và tạo thành gel, đặc biệt là với alginate [109]. Sự tương tác hiệu quả giữa các pectin và protein được cho là Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 8 trung tâm để phát triển kết cấu thực phẩm đạt yêu cầu.
Những hệ gel này mạnh và đàn hồi hơn khi thêm cầu nối liên kết như ion canxi [99]. Gần đây người ta nghiên cứu đến sự tương tác giữa pectin và một số loại keo khác như quá trình tạo gel của LMP với guar, tinh bột oxy hóa, maltodextrin từ khoai tây và gum arabic. Khả năng tương tác giữa các chất này tốt khi các chất có khả năng tương thích không gian cao [99]. Kĩ thuật thu nhận pectin Quá trình thu nhận pectin gồm 3 công đoạn chính như sau: [Nguyên liệu] Chiết tách [Pectin hòa tan] Kết tủa [Pectin kết tủa] Hoàn thiện [Sản phẩm pectin].
Công đoạn chiết tách pectin Pectin trong nguyên liệu bao gồm pectin hòa tan và protopectin không tan. Protopectin nằm dưới dạng liên kết với các thành phần khác của thành tế bào thực vật, vì vậy công đoạn đầu tiên trong qui trình thu nhận pectin là làm đứt các liên kết để chuyển protopectin từ thành tế bào ra bên ngoài dưới dạng pectin hòa tan. Một số phương pháp chiết tách pectin đã được sử dụng như: 1) Chiết bằng phương pháp ngâm chiết - Chiết tách trong nước Bằng cách gia nhiệt nguyên liệu trong nước có thể chiết tách pectin. Phương pháp này không được sử dụng trong công nghiệp vì phải thực hiện trong thời gian dài và nhiệt độ cao.
Hai yếu tố này sẽ dẫn đến sự thủy phân pectin trong quá trình chiết tách và rất tốn kém vì nhu cầu năng lượng cao. - Chiết tách trong dung dịch acid Hiện nay sản xuất pectin công nghiệp chủ yếu sử dụng phương pháp ngâm chiết trong dung dịch acid. Protopectin trong nguyên liệu sẽ chuyển thành pectin hòa tan dưới tác dụng của acid [74]. Pectin có chỉ số este hóa cao được chiết tách hiệu quả bằng dung dịch acid yếu vì các liên kết hóa học của protopectin yếu.
Để thúc đẩy quá trình thủy phân của protopectin và tách pectin, người ta thường dùng dung dịch acid vô cơ (HC1, H2SO3, H2SO4, HNO3) và một số acid hữu cơ có khối lượng phân tử thấp (acetic; oxalic, citric, tartaric,…) [133]. Trong môi trường acid mạnh liên kết glycosidic của pectin bị thủy phân nhiều. 2) Chiết tách bằng enzyme Chiết bằng enzyme sẽ tạo được sản phẩm xanh và sạch nhưng giá thành cao. Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 9 Hơn nữa, chiết bằng phương pháp này kéo dài thời gian xử lí nguyên liệu (khoảng 20 giờ) và pectin thu được có khả năng tạo gel thấp [125].
Kết quả nghiên cứu của tiến sĩ của Oni Yuliarti năm 2011 cho thấy pectin thu nhận bằng hỗn hợp chế phẩm enzyme thương mại (Cellulast 1,5L, Cellullyve TR 400 và Cytolase CL) có khối lượng phân tử thấp hơn so với pectin thu nhận bằng phương pháp acid và nước [101]. 3) Chiết tách bằng dung dịch muối và kiềm Việc sử dụng muối làm tác nhân chiết tách chủ yếu để thay thế các ion kim loại hóa trị 2 hoặc 3 của pectin hòa tan hoặc muối của pectin. Các tác nhân được sử dụng là muối của kim loại hóa trị 2 hoặc 3 của acid nitric, sulfuric, acid phosphoric, cả polyphosphat và oxalat. Trên quy mô công nghiệp, việc chiết tách pectin này không còn thực hiện vì phải sử dụng một lượng muối rất lớn.
Hơn nữa dịch chiết pectin có chứa nồng độ muối lớn do đó rất khó để làm sạch và xử lí chất thải về sau. Chiết pectin bởi dung dịch kiềm diễn ra hiệu quả ở độ pH 7-12. Tác nhân chiết tách thường sử dụng nhất là các dung dịch của NH4OH. Trong dung dịch kiềm, protopectin bị thủy phân, quá trình de-este hóa của pectin diễn ra, mạch pectin bị cắt đứt rất mạnh do đó khả năng tạo gel không cao.
4) Chiết tách pectin bằng phương pháp siêu âm Các phương pháp truyền thống để chiết tách pectin là gia nhiệt trực tiếp khoảng 60-100oC trong khoảng thời gian 20-360 phút và pH 1-3. Quá trình chiết này có nhược điểm là thời gian dài [47]. Việc chiết có hỗ trợ siêu âm được thực hiện dựa vào cơ chế là do tác động cơ học, xâm thực khí và những hiệu ứng nhiệt dẫn đến sự tác động đến thành tế bào thực vật, làm phá vỡ thành tế bào, giảm kích thước của các chất và tăng sự chuyển động của các chất qua màng tế bào. Một vài nghiên cứu cho thấy siêu âm làm tăng năng suất hoặc hiệu suất chiết cũng như giảm thời gian chiết tách pectin [55].
Công đoạn kết tủa pectin Để kết tủa pectin có thể sử dụng các loại rượu như isopropanol, methanol, ethanol. Ngoài ra có thể dùng các tác nhân kết tủa khác như nhôm clorua, nhôm hydroxide và sunfate. Theo Steven Nagy, các pectin mang điện tích âm sẽ liên kết với keo mang tích điện dương tạo kết tủa, sau đó tạo thành các mạng liên kết hình giống cái lược nổi lên trên bề mặt [114]. Trong thực tế, người ta thường sử dụng rượu vì Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 10 pectin có chỉ số DE cao (>70%) không kết tủa tốt với các muối và hơn nữa khi kết tủa bằng muối, phải có công đoạn rửa và loại bỏ muối ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi pectin [87].
Quy trình sản xuất pectin thương mại Hiện nay, trên thế giới người ta đã sản xuất pectin ở quy mô công nghiệp và nguyên liệu sử dụng chủ yếu là bã táo và vỏ cam quýt. Quy trình sản xuất pectin thương mại được thể hiện ở hình 1. Vỏ cam quýt hoặc bã táo Chiết tách Lọc Kết tủa bằng rượu etylic Acid hoặc base De-este hóa (Amonia) Làm khô Rượu bay hơi Làm khô Rượu bay hơi Nghiền nhỏ Nghiền nhỏ Phối trộn Phối trộn Pectin có chỉ số este hóa cao Pectin có chỉ số este hóa thấp Hình 1. Quy trình sản xuất pectin thương mại [119] 1.
Tổng quan về nguồn nguyên liệu chiết tách pectin Nguyên liệu chính sử dụng trong sản xuất pectin thương mại là vỏ cam quýt và bã táo. Trong nghiên cứu này, bốn loại nguyên liệu sau đã được sử dụng để nghiên cứu: 1. Vỏ dưa hấu Dưa hấu có tên khoa học là Citrullus lanatus được trồng trên khắp nước ta.