Mở đầu Chương 2: Tổng quan Chương 3: Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu Chương 4: Kết quả và bàn luận Chương 5: Kết luận - Kiến nghị Tài liệu tham khảo Phụ lục 3 do an CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2. Tổng quan về pectin 2. Cấu tạo pectin a. Cấu tạo, phân loại Cấu tạo Pectin là một polysaccharide phức tạp nhất về mặt cấu trúc và chức năng trong thành tế bào thực vật (Mohnen, 2008).
Pectin được định nghĩa là heteropolymer có chứa ít nhất 65% các đơn vị acid galacturonic (GalA) theo khối lượng (Phillips và Williams, 2020), các đơn vị galacturonic có thể ở dạng acid tự do (hoặc ở dạng muối đơn với Na, K, Ca hay NH4+) hoặc ester hóa với nhóm methyl, acetyl hay acid amide. Ngoài acid galacturonic, pectin còn chứa nhiều loại đường trung tính bao gồm rhamnose trong mạch chính, galactose, arabinose và một số loại đường trung tính khác ở mạch nhánh liên kết với rhamnose (Phillips và Williams, 2020). Trong thành tế bào, pectin tồn tại ở dạng protopectin (pectin không tan) và chỉ được thu nhận khi phá vỡ protopectin phức tạp có trong phiến giữa của mô thực vật (Willats và cộng sự, 2001). Cấu tạo một đơn vị D–galacturonic acid Hình 2.
Công thức cấu tạo của một phân đoạn phân tử pectin Cấu trúc của pectin gồm ba dạng chính là homogalacturonan (HGA), rhamnogalacturonan I (RG-I) và rhamnogalacturonan II (RG-II) (O’Neill và cộng sự, 1990). Ngoài ra, xylogalacturonan (XGA) và apiogalacturonan (AGA) thường được coi là pectin vì chúng có cùng mạch chính với HGA (Zdunek và cộng sự, 2020). Cả ba dạng polysaccharide này được cho rằng chúng liên kết cộng hóa trị với nhau và tạo thành mạng pectin xuyên suốt 4 do an thành tế bào sơ cấp và tế bào giữa. Mạng lưới này điều chỉnh cấu trúc của nó nhờ hoạt động của các enzyme trên thành tế bào (Willats và cộng sự, 2001).
Sơ đồ cấu trúc của pectin (các vùng homogalacturonan (HG), xylogalacturonan (XG), apiogalacturonan (AG), rhamnogalacturonan II (RG–II) và rhamnogalacturonan I (RG–I) (Zdunek và cộng sự, 2020)) - HGA là dạng pectin phổ biến nhất. HGA là một homopolymer mạch thẳng được tạo thành từ các liên kết α-(1→4)–D-GalA và có chứa khoảng 100 đơn vị GalA, trong đó một số nhóm carboxyl được ester hóa với methanol và/ hoặc nhóm acetyl (Thibault và cộng sự, 1993; O’Neill và cộng sự, 1990). HGA còn được gọi là vùng suôn thẳng (smooth region) do cấu trúc mạch thẳng của nó (Schols và Voragen, 1996). - RG–I chiếm khoảng 20-35% dạng cấu trúc của pectin.
Cấu trúc của RG–I bao gồm một mạch chính là sự liên kết lặp lại của các disaccharide [-α-D-GalA-1,2-α -L-Rha-1-4-]n, có khối lượng phân tử khoảng 100 kDa. Sự biểu hiện của cấu trúc RG-I phụ thuộc vào sự phát triển của loài, số lượng các gốc đường và oligosaccharide mạch nhánh gắn vào mạch chính của RG–I (Mohnen, 2008). Các chuỗi bên chứa các gốc galactose và arabinose được gắn ở C số 4 của các gốc rhamnose. Các chuỗi bên bao gồm các đường đơn hoặc các chuỗi kết hợp của các arabinan, galactan hoặc arabinogalactan (Zdunek và cộng sự, 2020).
Do bản chất phân nhánh nên RG–I được gọi là vùng rậm (hairy region) (Schols và Voragen, 1996). 5 do an - RG–II là pectin có cấu trúc phức tạp nhất, chiếm 10% pectin, có khối lượng phân tử thấp từ 5–10 kDa. Cấu trúc của RG–II bao gồm một mạch chính gồm các gốc GalA (giống như HGA) của ít nhất 8 liên kết α-(1→4)–D-GalA. RG–II nhiều nhánh hơn HGA và các mạch nhánh có chứa 12 loại đường khác nhau liên kết với C-2 và C-3 (O’Neill và cộng sự, 1990).
Phân loại - Phân loại pectin theo chỉ số DE của phân tử: giá trị DE là phần trăm biểu thị các gốc carboxyl trong chuỗi galacturonan được methyl ester hóa (Rolin và De Vries, 1990). Phân loại pectin dựa trên chỉ số DE gồm hai loại: High methoxyl pectin (HMP): DE từ 50% trở lên, hàm lượng MeO >7% Hình 2. High methoxyl pectin Low methoxyl pectin (LMP): DE thấp hơn 50%., hàm lượng MeO <7% Hình 2. Low methoxyl pectin Phân loại pectin theo khả năng hòa tan trong nước: độ hòa tan trong nước liên quan đến mức độ trùng hợp của pectin, số lượng và sự phân bố của các nhóm methoxyl.
Phân loại pectin dựa trên khả năng hoa tan gồm hai loại (O’Neill và cộng sự, 1990): Pectin tan trong nước (pectin tự do): là polysaccharide cấu tạo bởi các gốc acid galacturonic, trong đó có một số gốc acid có chứa nhóm methoxyl, tồn tại chủ yếu ở dịch tế bào. Pectin không tan trong nước (protopectin): là dạng kết hợp của pectin với araban (polysaccharide ở thành tế bào). Các chỉ số đặc trưng cho chất lượng pectin Các chỉ số đặc trưng cho pectin cũng là các chỉ số xác định chất lượng pectin, được ban hành bởi FAO/WHO, bao gồm: 6 do an Chỉ số hàm lượng MeO: Biểu hiện tỉ lệ methyl hóa của pectin, là phần trăm khối lượng nhóm methoxyl (-O-CH3) trên tổng khối lượng. Chỉ số DE: DE biểu hiện mức độ ester hóa, là phần trăm số gốc acid galacturonic bị ester hóa trên tổng số gốc acid galacturnic trong phân tử.
Tính chất của pectin - Pectin tinh chế có dạng chất bột trắng, màu xám nhạt, có mã hiệu quốc tế trong danh mục phụ gia thực phẩm là E440 (Branen và cộng sự, 2001). - Khả năng hòa tan của pectin: Pectin hút nước và dễ tan trong nước, không tan trong ethanol. Khả năng hòa tan của pectin chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố như khối lượng phân tử, chỉ số MeO, pH dung dịch, nhiệt độ, bản chất và nồng độ chất tan (Thakur và cộng sự, 1997). Khả năng hòa tan tăng khi khối lượng phân tử giảm.
Độ hòa tan cũng có thể được tăng lên bằng cách ngăn chặn sự hình thành liên kết phân tử tạo ra bởi các yếu tố hình học như sự có mặt của nhóm thế (ester hóa) hoặc yếu tố hóa học như thay đổi về điện tích (liên kết ion) (Thakur và cộng sự, 1997). Pectin dạng bột khô khi cho vào nước có xu hướng ngậm nước rất nhanh và bị vón cục (Phillips và Williams, 2020). - Tính lưu biến của dung dịch pectin: Dung dịch pectin có độ nhớt, nhưng với vai trò là chất làm đặc thì pectin không hiệu quả hơn so với các polymer tan trong nước khác (Rolin và de Vries, 1990). Tính chất lưu biến của dung dịch pectin phụ thuộc rất nhiều vào sự có mặt của các muối, đặc biệt là muối của canxi hoặc các kim loại hóa trị lớn hơn 1, và vào độ pH (Rolin và de Vries, 1990).
Pectin có trọng lượng phân tử trung bình cao thì nhớt hơn so với pectin có trọng lượng phân tử thấp hơn (Pippen và cộng sự, 1953). Các pectin có hàm lượng ester cao sẽ không có tương tác kim loại và độ nhớt cao hơn do tương tác kỵ nước của các nhóm methyl (Fraeye và cộng sự, 2009). - Dưới tác dụng của enzyme pectinase và ion kiềm loãng, pectin sẽ được phân giải thành acid pectinic hoặc pectate (kết hợp với Ca hoặc Mg) và các chất khác như methylic (giải phóng từ methoxyl), acid acetic, arabinose, galactose (Fraeye và cộng sự, 2009). Pectate có thể chuyển thành kết tủa dễ dàng, do đó được dùng để định lượng các chất pectin.
7 do an Dưới dạng acid pectic tự do, nó mất khả năng tạo gel khi có đường, vì vậy để duy trì khả năng tạo gel của pectin hòa tan cần chú ý tránh môi trường kiềm hoặc tác dụng thủy phân của enzyme pectinase (Thakur và cộng sự, 1997). - Đặc tính tạo gel của pectin: Pectin có khả năng tạo gel khi có mặt acid và đường (May, 1990). Cơ chế tạo gel Gel hóa có thể được coi là trạng thái giữa độ hòa tan và sự kết tủa của polymer, do đó bản chất của dung môi rất quan trọng (Phillips và Williams, 2020). Bởi vì pectin là một hydrocoloid tích điện, nên nhạy cảm với sự thay đổi của pH cũng như bản chất và số lượng các cation có trong hệ thống.
Dựa vào đặc tính trên có thể phân ra thành gel canxi và gel acid được tạo thành tương ứng từ HMP và LMP. Sự tạo gel của LMP - LMP được tạo gel khi có mặt ion Ca2+, pH trong khoảng từ 3.0, nồng độ chất rắn hòa tan từ 10–80% (Phillips và Williams, 2020). - Cơ chế tạo gel của LMP được mô tả bởi Axelos và cộng sự (1991) theo mô hình “egg- box model” của Rees và cộng sự (1973). Sự gel hóa của LMP là kết quả của các liên kết ion qua cầu canxi giữa hai nhóm carboxyl thuộc hai chuỗi pectin khác nhau tiếp xúc tại vùng tiếp giáp (junction zone).
Tại vùng tiếp giáp, các monomer acid galacturonic trong các chuỗi được liên kết với nhau thông qua liên kết tĩnh điện và ion của các nhóm cacboxyl. Cơ chế tạo gel của LMP (Axelos và cộng sự, 1991) 8 do an Hình 2.6 cho thấy các nguyên tử oxy của các nhóm hydroxyl, các nguyên tử oxy trong vòng và các nguyên tử oxy liên kết giữa các đơn vị monomer tham gia vào quá trình liên kết tạo gel thông qua các cặp electron tự do của chúng (Kohn, 1987). Các liên kết bền vững khi có ít nhất bảy nhóm cacboxyl liên tiếp ở bên trong mỗi chuỗi pectin tham gia vào mạng lưới gel (Powell và cộng sự, 1982). Sự tạo gel của HMP - HMP tạo gel trong điều kiện pH dưới 3.6 và có mặt của chất tan, đặc biệt là sucrose ở nồng độ >55% so với khối lượng.
- Cơ chế tạo gel của HMP được mô tả bởi Oakenfull (1991). Liên kết ngang của chuỗi polymer bao gồm các phân đoạn mở rộng từ hai hoặc nhiều phân tử pectin để tạo thành các vùng tiếp giáp. Các vùng này được ổn định bởi sự kết hợp của các liên kết hydro và tương tác kỵ nước của các nhóm methyl-ester giữa các phân tử pectin. Mức độ tương tác kỵ nước và liên kết hydro cũng ảnh hưởng đến sự ổn định của gel HMP.
Liên kết hydro: Liên kết hydro là tương tác chính duy trì cấu trúc gel HMP (Chan và cộng sự, 2017. Các liên kết hydro giữa các phân tử pectin được tạo ra bởi sự hình thành của các đơn vị GalA liền kề. Các liên kết hydro riêng lẻ tương đối yếu, nhưng một số lớn trong số chúng mang lại sự ổn định nhiệt động lực học đáng kể cho gel pectin, giúp làm bền gel (Jencks, 1969). Tương tác kỵ nước: Hiệu ứng kỵ nước phát sinh do tương tác bất lợi giữa các phân tử nước và các nhóm methoxyl không phân cực của phân tử pectin.
Trong dung dịch, các phân tử hoặc các nhóm không phân cực như methoxyl, gắn vào các đại phân tử và có xu hướng kết hợp với nhau nhằm giảm thiểu sự tiếp xúc với nước, gây ra sự kế tụ ban đầu của các mạch pectin. 9 do an a b ) ) Hình 2.