TỔNG QUAN VỀ AGAR
Nguồn gốc, phân bố
Agar, được phát hiện ở Nhật Bản vào giữa thế kỷ 17, có nguồn gốc từ một số loại tảo biển và được gọi là Malayan Thuật ngữ “kanten” được đặt bởi nhà sư Phật giáo Trung Quốc Ingen, người đã nhập quốc tịch Nhật Bản sau năm 1654 Gel agar trở thành món ăn ưa thích của các Phật tử theo phái Thiền nhờ vào kết cấu và hương vị đơn giản Thói quen tiêu thụ các sản phẩm chiết xuất từ rong biển dạng gel agar có thể đã tồn tại từ thời tiền sử ở nhiều vùng ven biển và vẫn được duy trì cho đến ngày nay.
Quy trình sản xuất agar truyền thống đã trở nên phức tạp và bí ẩn do các đặc tính hóa lý của nó Tuy nhiên, sự phát triển trong những thập kỷ gần đây đã giúp làm sáng tỏ quy trình này.
Vào năm 1882, Robert Koch đã giới thiệu agar như một môi trường nuôi cấy quan trọng trong vi khuẩn học, với ứng dụng đầu tiên của nó do Walter Hesse thực hiện như một chất thay thế gelatin Kể từ đó, agar đã trở thành môi trường vi khuẩn chủ yếu Hiện nay, gum Gelrite-gellan được sử dụng như một phần thay thế cho agar, đặc biệt trong việc nuôi cấy vi sinh vật ưa nhiệt, nhờ vào tính ổn định nhiệt và khả năng chịu đựng thời gian ủ kéo dài ở nhiệt độ cao (Lin and Cassida, 1987).
Trong số 15.000 giống rong biển, chỉ có 25 loài có giá trị thương mại, được phân thành bốn loại chính dựa trên sắc tố: đỏ, nâu, xanh lam và xanh lam-xanh lục Rong biển đỏ và nâu là nguồn cung cấp chất keo quan trọng, bao gồm agar, carrageenan và furcellaran, tất cả đều là polysaccharide galactose chiết xuất từ tảo đỏ (Rhodophyceae) với cấu trúc cơ bản chung Sự khác biệt giữa chúng nằm ở tỷ lệ D- và L-galactose, mức độ chuyển đổi galactose thành dẫn xuất 3,6-anhydro, cũng như quá trình sulfat hóa và methyl hóa Hàm lượng sulfat là yếu tố quan trọng để phân biệt các loại rong biển đỏ: agarose không chứa sulfat, trong khi agaropectin có từ 3% đến 10%, và furcellaran có từ 8% đến 19% sulfat.
So với thực phẩm, agar được sử dụng ít hơn trong phòng thí nghiệm, với phần lớn agar trên thế giới được nhập khẩu từ Nhật Bản, mặc dù một số quốc gia khác cũng sản xuất Nghiên cứu của Araki đã chỉ ra rằng agarose, một polysaccharide trung tính, là thành phần chính tạo gel của agar Sự gia tăng sử dụng agarose và agar tinh khiết trong khoa học đã khẳng định tầm quan trọng của agar trong nghiên cứu, do đó, thông tin khoa học về agarose cũng có thể áp dụng cho gel agar.
Bảng 1.1: Sự phân bố các loài rong chứa agar trên thế giới
Gelidiella acerosa Nhật Bản, Ấn Độ, Trung Quốc
Gelidium amansii Nhật Bản, Trung Quốc
Gelidium cartilagineum Mỹ, Mexico, Nam Phi
Gelidium lớp sừng Nam Phi, Bồ Đào Nha, Tây Ban Nha, Morocco
Gelidium sesquipedale Bồ Đào Nha, Morocco
Gracilaria spp Nam Phi, Philippines, Chile, Trung Quốc, Ấn Độ, Hoa Kỳ, Việt
Nam Pterocladia capilacea Ai Cập, Nhật Bản, New Zealand
Agar được phân bố rộng rãi trên toàn cầu, chủ yếu ở những khu vực có sự phát triển của các loài rong đỏ như Nhật Bản, Ấn Độ, Trung Quốc, Philippines, Ai Cập, New Zealand và Liên Xô Các chi rong đỏ sản xuất agar thương mại bao gồm Gelidium, Gracilaria, Pterocladia và Ahnfeltia.
Hình a: Loài Gracilaria tenuispititata Hình b: Loài Gracilaria bangmeiiana
Hình c: Loài Gracilaria arculata Hình d: Loài Hydropuntia bailiniae
Hình 1.1: Một số loài rong sinh trưởng ở Việt Nam có chứa agar
1.1.3 Tình trạng quy định và độc tính
Agar được Bộ Hóa chất Thực phẩm Codex III (1981) mô tả là một
Polygalactoside dạng keo ưa nước khô được chiết xuất từ tảo đỏ thuộc lớp Rhodophyceae, được sản xuất thương mại và có mặt trên thị trường dưới nhiều dạng như dây, mảnh và bột, với màu sắc từ trắng đến vàng nhạt Agar chỉ hòa tan trong nước sôi và có các giới hạn cho phép đối với tạp chất như asen không quá 3 ppm, tro không quá 6,5% và kim loại nặng như chì không quá 10 ppm Agar không bị phân hủy trong đường tiêu hóa của con người, an toàn khi uống với liều cao, và không gây ung thư, như được chứng minh qua các thí nghiệm với chuột và thỏ Nghiên cứu cho thấy agar không ảnh hưởng đến sự hấp thu canxi và đồng ở người tiêu thụ với mức hàng ngày cao hơn nhiều so với mức tiêu thụ thông thường.
Thu hoạch agar và chế biến
Nhật Bản và Tây Ban Nha là hai quốc gia dẫn đầu trong sản xuất agar, chiếm tới 70% nguồn cung toàn cầu Gần đây, Israel đã bắt đầu trồng tảo đỏ, mở ra triển vọng mới cho ngành này Tại Nhật Bản, Gelidium là nguồn cung cấp agar truyền thống với 24 loài địa phương, trong khi chi Gracilaria trở nên quan trọng nhờ vào công nghệ tiền xử lý kiềm, là loài tảo đỏ phong phú nhất trên thế giới.
Hình 1.2: (a) Một mẩu Gracilaria khô, nguồn agar thực vật (b) Các mẩu agar đông khô trong phòng thí nghiệm được chiết xuất từ Gracilaria
1.2.2 Thu hái rong biển Ở Nhật Bản, các thợ lặn thu thập rong biển mà không có thiết bị nào khác ngoài kính bảo hộ ở độ sâu nước đến 30 feet (9 m), hoặc ở độ sâu dưới 60 feet bởi những thợ lặn có trang bị thiết bị lặn (Newton 1951) Rong biển được thu gom, lưu trữ trong các bồn hoặc bè và kéo vào bờ, nơi nó được làm khô và tẩy trắng một phần, sau đó được đưa đi chế biến lần cuối Rong biển nước sâu được coi là mang lại chất chiết xuất từ gel tốt nhất, và thời gian thu hoạch tối ưu là từ tháng 4 đến tháng 9 (Glicksman, 1969)
1.2.3 Sản xuất truyền thống và hiện đại
Agar được phát hiện bởi Tarozaemon Minoya, một người quản lý quán trọ ở Kyoto, Nhật Bản, vào giữa thế kỷ XVII Câu chuyện ghi lại rằng một món ăn từ rong biển đã được phục vụ cho một lãnh chúa phong kiến vào mùa đông, và cặn của đĩa đã chuyển thành chất xốp màu trắng, ngày nay gọi là agar Khám phá này sau đó đã dẫn đến quy trình sản xuất agar đông lạnh và khô.
Quá trình khai thác agar từ rong biển bắt đầu bằng việc làm sạch và rửa tảo đỏ, sau đó nấu trong nước sôi với thể tích gấp 15 đến 20 lần rong biển Việc thêm axit sulfuric 0,01-0,05% hoặc axit axetic 0,05% giúp nâng cao hiệu quả chiết xuất Tảo được đun sôi khoảng 2 giờ và ninh trong 8-14 giờ, có thể sử dụng canxi hypochlorite hoặc natri bisulfit để tẩy trắng agar, nhằm tạo ra sản phẩm chất lượng cao Dịch chiết được lọc nóng và phần rong biển còn lại có thể được chiết xuất lại Sau đó, dịch lọc được làm nguội, tạo bọt và cắt nhỏ, tiếp theo là khử nước bằng phương pháp làm khô đông lạnh hoặc ép - khử nước Agar cuối cùng được bán trên thị trường dưới dạng khô, xay, đóng gói (agar bột), thanh hoặc dây.
Chất lượng agar tối ưu được đảm bảo qua việc lựa chọn nguyên liệu cẩn thận, với Gelidium amansii là thành phần chính trong hỗn hợp khai thác rong biển, kết hợp với một lượng nhỏ rong biển mềm như Ceramium sp Việc khai thác rong biển cứng dưới áp suất 1-2 kg/cm² trong 2-4 giờ giúp tăng sản lượng và rút ngắn thời gian chế biến Cần xác định các điều kiện chính xác để bảo vệ agar sau khi chiết xuất Xử lý kiềm ở nhiệt độ 85-90°C cho các chất nhầy giống agaroid đã được phát triển ở Nhật Bản, trong khi chế biến Gracilaria bằng rong biển chưa tinh chế phủ đất và cát sẽ mang lại sản lượng cao và cải thiện độ bền của gel.
Xử lý Gracilaria bằng kiềm giúp tăng hàm lượng agarose và giảm hàm lượng agaropectin cùng sulfat trong agarose L-galactose 6-sulfat có thể chuyển đổi thành 3,6-anhydro-L-galactose, tương tự như carrageenan Các chất tạo agar dạng cứng có thể chiết xuất bằng polyphotphat hoặc photphat cô đặc Mặc dù các thí nghiệm cho thấy hiệu quả của việc xử lý trước bằng enzym, chiếu xạ gamma và chiết xuất trong môi trường amoniac, nhưng chưa có phương pháp nào được áp dụng trong ngành công nghiệp Một phương pháp chiết xuất agar đơn giản là "tiền xử lý trước bằng axit" Các bước quan trọng trong quy trình bao gồm chiết tách, lọc sol nóng qua túi vải hoặc máy ép lọc, và khử nước gel.
Trong quá trình chế biến agar, việc làm đông gel trước khi khử nước là một thực tế phổ biến Khoảng 48% nước được loại bỏ khỏi gel agar đông lạnh thông qua thăng hoa, 40% trong quá trình rã đông nhỏ giọt, và 12% bằng cách hóa hơi Quá trình khử nước đông lạnh có thể được thực hiện bằng phương pháp cơ học hoặc tự nhiên, đặc biệt áp dụng cho các chất chiết xuất từ Gelidium, nơi mà phương pháp ép không phù hợp.
Agar Kaku-kanten dạng thanh là một sản phẩm đặc biệt với hình dạng chữ nhật, mỗi miếng nặng khoảng 7,5g Mật độ khối lượng lớn của agar này dao động từ 0,030 đến 0,036 g/cm³.
3 Nó được bán để sử dụng trong gia đình trong các túi có chứa một hoặc hai miếng Các thanh này cũng được sản xuất ở Philippines bằng phương pháp đông lạnh cơ học và phơi nắng nhưng ít bắt mắt hơn (Matsuhashi,1990) Agar cũng được bán theo chuỗi, tên là Hoso-kanten Các dây này có chiều dài 28-36 cm, với một đơn vị thương mại có khối lượng tịnh từ 15-30 kg Số lượng nhỏ hơn được bán cho công chúng, và các dây được đóng gói dày đặc được sử dụng để vận chuyển ra nước ngoài Tuy nhiên, được bán nhiều nhất là agar (mịn) (mặc dù agar mảnh cũng được yêu cầu) Các mảnh agar được sản xuất từ các loài Gelidium bằng quá trình đông lạnh, trong khi bột được sản xuất từ Gracilaria đã qua xử lý kiềm bằng phương pháp ép khử nước (không đóng băng)
Chiếu xạ các loài tảo Gelidiella, Gelidium, Gracilaria và Hypnea bằng cobalt-60 với liều 1000Ci trong khoảng 0,9 x 10^4 đến 6,4 x 10^4 rd.g^-1 đã được chứng minh là cải thiện năng suất, độ bền của gel và sự ổn định của chất chiết khô (Smith và Montgomery, 1959) Tuy nhiên, phương pháp này cũng ghi nhận một số kết quả tiêu cực Đặc biệt, tiền xử lý chất tạo agar bằng enzym phân giải xenluloza đã cho thấy khả năng tăng tốc độ chiết xuất, đồng thời nâng cao độ bền và sản lượng gel (Meer, 1980).
Cấu trúc và phân loại
Agar, một polysaccharide quan trọng, được chiết xuất từ một số loài tảo đỏ và đã được các nhà khoa học Nhật Bản nghiên cứu trong nhiều thập kỷ Araki (1937) là người đầu tiên phân lập agarose, mở ra hướng nghiên cứu mới Các nghiên cứu tiếp theo đã chỉ ra rằng cấu trúc của agar bao gồm các đơn vị lặp lại của D-galactose và 3,6-anhydro-L-galactose (Araki, 1958; Cottrell và Baird, 1980).
Hình 1.3: Cấu trúc của agar hiển thị qua các đơn vị lặp đi lặp lại của agarobiose
Chiết xuất agar bao gồm hai nhóm polysaccharide chính là agarose, thành phần tạo gel, và agaropectin, polysaccharide không tạo gel Agarose là một polysaccharide không chứa sulfat, trong khi agaropectin chứa một lượng nhỏ sulfat (~2%) nhưng không có giá trị thương mại và thường bị loại bỏ trong quá trình sản xuất agar Tỷ lệ agarose trong rong biển chứa agar có thể dao động từ 50-90% Hai thành phần này có thể được phân đoạn thông qua acetyl hóa trong cloroform hoặc bằng cách sử dụng muối amoni bậc bốn để kết tủa agaropectin.
Agarose và agaropectin chứa các đơn vị đường cơ bản quan trọng, bao gồm D-galactose, L-galactose, 3,6-anhydro-L-galactose và D-xylose Trong đó, agarose có cấu trúc tuyến tính không phân nhánh, trong khi agaropectin cũng bao gồm các đơn vị tương tự.
D-xylose, galactose sulfat và axit pyruvic (Araki, 1958) Agarobiose là disaccharide được tạo thành từ D-galactose, 3,6-anhydro-L-galactose
Cấu trúc của agaropectin, một polysaccharide sulfat hóa, phức tạp hơn agarose và ít được nghiên cứu hơn Agaropectin bao gồm agarose và các thành phần như sulfat este, axit D-glucuronic, cùng với một lượng nhỏ axit pyruvic, mà theo Hirase (1957) được gắn ở dạng acetal vào các gốc D-galactose của agarobiose Hàm lượng sulfat trong agar phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu Yaphe và Duckworth (1972) đã chỉ ra rằng agar là một họ polysaccharide với các chuỗi D- và L-galactose liên kết 1-3 và 1-4 Nhiều nghiên cứu về thành phần hóa học của agar từ các nguồn tạo agar mới cũng đã được công bố.
1.3.2 Cấu trúc của agarose và agaropectin
Agarose có cấu trúc mạch thẳng không phân nhánh, tồn tại dưới dạng chuỗi xoắn kép gấp ba với bước sóng 1,9nm và khoang trung tâm chứa các phân tử nước mà không xảy ra xung đột steric Nó chủ yếu bao gồm các chuỗi D-galactose liên kết β1-3 và 3,6-anhydro-L-galactose liên kết α1-4, đồng thời có thể chứa 6-O-Methyl-D-galactose với tỷ lệ từ 1 đến 20%, tùy thuộc vào loài tảo Đặc biệt, agar chiết xuất từ G amansii cũng chứa 4-O-metyl-L-galactose.
Hình 1.4: Cấu trúc của agarose
Agaropectin là một hỗn hợp polysaccharide chứa 3-10% sulfat, axit glucuronic và đôi khi axit pyruvic với các liên kết acetyl Nghiên cứu của Duckworth và Yaphe (1971a,b) chỉ ra rằng agar không chỉ bao gồm agarose và agaropectin, mà là một tập hợp các polysaccharide liên quan, từ phân tử gần như trung tính đến galactan có điện tích cao.
Hình 1.5: Cấu tạo của agaropectin 1.3.3 Các thành phần vô cơ của agar
Hàm lượng tro của agar chủ yếu phụ thuộc vào nguồn gốc của loại rong biển, với các thành phần kim loại và phi kim loại đóng vai trò quan trọng, đặc biệt trong agar cấp vi khuẩn Nồng độ của các thành phần này bao gồm: lưu huỳnh (vô cơ) từ 1,0-1,5%; natri từ 0,6-1,2%; canxi từ 0,15-0,25%; magiê từ 400-1200ppm; kali từ 100-300ppm; phốt pho từ 10-80ppm; sắt từ 5-20ppm; mangan từ 1-5ppm; kẽm từ 5-20ppm và stronti từ 10-50ppm (Seip, 1974).
Agar được phân loại theo khả năng hòa tan trong nước, được đánh giá qua tỷ lệ khối lượng agar so với nước Hiện nay, có nhiều loại agar với các đặc tính khác nhau, phục vụ cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau trong ngành thực phẩm và khoa học.
2 loại agar là agar thông thường và agar tan nhanh, trong đó:
- Agar thông thường để hòa tan được trong nước yêu cầu tỉ lệ agar/nước khoảng 1/30-1/32 (w/w).
- Agar tan nhanh tan được trong nước yêu cầu tỉ lệ agar/nước khoảng 1/20-1/25 (w/w).
Phạm vi ứng dụng
Agar là một nguyên liệu có khả năng tạo gel mạnh mẽ và đảo ngược hoàn hảo, nhờ vào cấu trúc “gel vật lý” đặc biệt của nó Với nhiều ứng dụng đa dạng, agar chủ yếu được sử dụng trong ngành thực phẩm, chiếm tới 80% tổng lượng tiêu thụ, trong khi 20% còn lại được ứng dụng trong các lĩnh vực khác.
Bảng 1.2: Các cấp agar tùy thuộc vào mục đích sử dụng cuối cùng và chất tạo agar được sử dụng để sản xuất chúng (từ Armisén 1995)
1.4.1 Trong công nghiệp thực phẩm
Agar là một chất phụ gia thực phẩm giàu chất xơ hòa tan, nổi bật với khả năng giữ nước cao và không gây đầy hơi do không lên men Nó được sử dụng chủ yếu làm tác nhân tạo gel, chất ổn định và tạo độ nhớt trong nhiều sản phẩm thực phẩm Agar thường xuất hiện trong các loại thực phẩm như jelly, kẹo, nhân kẹo, mứt dẻo, kẹo chocolate và thậm chí trong chế biến thịt, chẳng hạn như trong xúc xích để giảm chất béo.
CMC là một thành phần quan trọng trong các sản phẩm thức ăn đóng hộp, giúp ngăn ngừa sự phân tách chất lỏng, đặc biệt trong cá tươi được khử trùng ở nhiệt độ 110 đến 115°C Gel agar được tăng cường với 0,1% CMC cho thấy sự ổn định cao khi được đóng gói cùng với trái cây và xi-rô đường trong mitsumame, duy trì chất lượng sau 80 ngày ở 30°C và có kết cấu rắn chắc hơn so với agar không có CMC Ngoài ra, CMC cũng hiệu quả trong việc kiểm soát sự phân tách chất lỏng trong nhân bánh và sản phẩm bánh pudding đóng hộp.
1.4.2 Agar trong nuôi cấy côn trùng
Agar được sử dụng để nuôi ấu trùng và các động vật nhỏ, đặc biệt là trong việc vỗ béo tằm quanh năm, giúp kéo dài thời vụ nuôi Những con sâu nhỏ chỉ ăn được lá dâu tằm non khi mới nở, vì vậy agar được hòa tan cùng với carbohydrate và protein, tạo thành dung dịch lơ lửng Sau khi nguội, hỗn hợp này được đùn ra thành sợi mỳ có kích thước phù hợp cho các giai đoạn phát triển của sâu non, từ trứng đến khi hình thành chồi tơ Chỉ có agar mới được sử dụng do các chất tạo gel khác có mùi vị mà tằm không chấp nhận.
Agar được sử dụng để nuôi ấu trùng ruồi Drosophila melanogaster trong nghiên cứu di truyền Khi công nghệ kiểm soát dịch hại côn trùng phát triển, agar cũng được áp dụng để nuôi ấu trùng nhằm kiểm soát các loài gây hại như ruồi Địa Trung Hải và sâu bướm Pectinophora glosipeii Các cá thể vô sinh của những loài này được khử trùng sinh dục bằng bức xạ gamma và thả ra trong thời gian giao phối Vì chúng chỉ giao phối một lần trong đời, khả năng giao phối bị thất bại làm giảm hiệu quả sinh sản Phương pháp này giúp kiểm soát các loài côn trùng mà không cần đến thuốc diệt côn trùng clo hữu cơ, như được thảo luận trong nghiên cứu của Noble (1969).
1.4.3 Công thức nuôi cấy mô rau
Đặc tính tạo gel của agar cải thiện công thức môi trường rắn cho nuôi cấy mô, phục vụ cho việc phát triển các dòng vô tính phong lan Các phương tiện truyền thông được thiết kế nhằm tái tạo đa dạng mẫu thực vật, giúp phát triển cây giống đồng nhất và không bị vi rút Thường thì, mô phân sinh thực vật được nuôi cấy trong môi trường có thành phần phù hợp, được bổ sung bằng các hormone thực vật như auxin hoặc cytokinin, để đạt được sự phát triển tối ưu Sau đó, các cây con này sẽ được chuyển sang đất trồng rau để tiếp tục phát triển Thông tin chi tiết về quy trình trồng rau vô tính có thể tham khảo trong tác phẩm của Pierik.
1.4.4 Môi trường nuôi cấy vi sinh vật
Việc nuôi cấy vi sinh vật bắt đầu từ R Koch vào năm 1882 và đã đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của vi sinh vật học Agar, với các đặc tính vật lý đặc biệt như độ kết dính và khả năng tan chảy ở nhiệt độ, vẫn chưa có sự thay thế nào hiệu quả Khả năng chống lại sự suy thoái do enzym và khả năng tạo gel mà không cần cation giúp agar hỗ trợ môi trường nuôi cấy với áp suất thẩm thấu phù hợp cho nhiều loại tế bào như hồng cầu, vi khuẩn, nấm men và nấm mốc Các ứng dụng của agar trong việc chuẩn bị môi trường nuôi cấy vi sinh vật cũng như trong sinh hóa và sinh học phân tử đã được trình bày chi tiết trong các nghiên cứu của Armisén (1991, 1993).
1.4.5 Ứng dụng agar công nghiệp
Agar là một nguyên liệu quan trọng trong công nghiệp, được sử dụng rộng rãi để tạo khuôn với độ chính xác cao Tại Hoa Kỳ, agar thường được dùng để chế tạo khuôn nha khoa, trong khi ở các quốc gia khác, nó được sử dụng để tạo khuôn cho các mảnh khảo cổ hoặc tác phẩm điêu khắc Ngoài ra, lực lượng cảnh sát cũng áp dụng agar để lưu giữ dấu chân và các manh mối trong các vụ án hình sự Đặc biệt, gel agar có khả năng đảo ngược cao, cho phép nó chuyển từ trạng thái dung dịch sang gel chỉ bằng cách làm lạnh.
Gel có thể được bảo quản lâu dài trong ống giống như kem đánh răng Trước khi sử dụng, gel cần được nấu chảy trong nước sôi và sau đó được đổ vào khay đã chuẩn bị cho dấu ấn nha khoa Khi đạt đến nhiệt độ thích hợp, gel sẽ sẵn sàng để sử dụng.
(39°C), dấu ấn được thực hiện nhúng răng (hoặc vật cần sao chép) và duy trì theo cách này cho đến khi agar Gelidium nở ra ở 36°C
Agar đã được công nhận trong Dược điển Hoa Kỳ như một loại thuốc nhuận tràng nhờ vào khả năng thông tiện và tính chất làm phồng Nó hoạt động tương tự như chất xơ tự nhiên, hoàn toàn hòa tan và chống thủy phân Do hệ tiêu hóa của con người không sản xuất agarase, tỷ lệ tiêu hóa agar rất thấp Hiện nay, agar được đưa vào Danh mục Công thức Quốc gia của Hoa Kỳ để sử dụng như một thành phần giúp làm chậm hấp thu các tác nhân dược lý.
TÍNH CHẤT
Tính chất của agar
Trọng lượng phân tử trung bình của sáu mẫu agar đã được xác định qua các phép đo cân bằng lắng trong dung dịch kali clorua 0,1M ở 65°C (Tashiro et al., 1996) Sự phân bố trọng lượng phân tử rộng cho thấy sự phân cắt của các hạt agar trong quá trình xử lý kiềm Mặc dù điểm gel hóa phụ thuộc vào trọng lượng phân tử đối với các mẫu cùng nguồn gốc, sự phụ thuộc này không tồn tại giữa các loài tảo khác nhau Nghiên cứu cho thấy các phân tử agar ở dạng cuộn ngẫu nhiên trong dung dịch clorua kali 0,1M ở 65°C, và hình dạng này cũng được duy trì khi thêm chất ức chế liên kết hydro vào dung dịch.
Các đặc tính vật lý của dung dịch agar và gel đóng vai trò quan trọng đối với các nhà sản xuất và nhà khoa học Đặc biệt, tính chất âm học của agar rất đáng chú ý, vì mặc dù là vật liệu rắn, nhưng nó có đặc tính âm học tương tự như nước Sự đa dạng trong ứng dụng của agar, bao gồm việc sử dụng như một chất cách điện để giảm tiếng vọng, làm cho việc hiểu biết về các đặc tính âm học của nó trở nên cần thiết Những đặc tính này được xác định thông qua việc đo hệ số suy giảm, tốc độ âm thanh và trở kháng âm thanh.
Agar không tan trong nước lạnh nhưng sẽ tan hoàn toàn trong nước sôi Nếu giữ agar ở nhiệt độ dưới mức sôi, nó sẽ không hòa tan hoàn toàn Khi sử dụng agar ở dạng không phải bột mịn như thanh, dây hoặc mảnh, việc ngâm qua đêm trong nước lạnh sẽ giúp hòa tan tốt hơn Ngay cả khi agar có khả năng hòa tan, việc ngâm trong thời gian ngắn khoảng vài phút cũng sẽ giúp tăng tốc độ hòa tan.
Kiểm soát độ pH trong quá trình ngâm và đun sôi là yếu tố quan trọng để duy trì tính trung tính của dung dịch Việc bỏ qua biện pháp phòng ngừa này đã gây ra nhiều vấn đề cho các nhà khoa học, nhà sản xuất và người dùng.
Agar có chứa một lượng nhỏ các chất hòa tan trong nước lạnh, nhưng không ảnh hưởng đến khả năng tạo bọt của nó Hàm lượng này thay đổi tùy theo loại và cấp của agar Nồng độ tối đa có thể đạt được thông qua quy trình hòa tan thông thường là 3-4% trong nước.
Agar có khả năng tạo gel ở nồng độ thấp và cần thực hiện các phép đo độ nhớt ở nhiệt độ trên 40°C Có mối quan hệ tuyến tính giữa logarit độ nhớt tương đối và nồng độ agar, với độ nhớt giảm theo cấp số nhân khi nhiệt độ tăng Đối với cùng loại agar, đã quan sát thấy mối tương quan giữa điểm nóng chảy của 1,5% agar và độ nhớt của 0,2% sol ở 50°C Hơn nữa, có bằng chứng cho thấy sự liên hệ giữa độ nhớt và độ cứng của gel agar, trong khi sự hiện diện của các ion có xu hướng làm giảm độ nhớt của dung dịch agar (Matsuhashi, 1990).
Nhiệt độ gel hóa của agarose tăng theo nồng độ agar và nhiệt độ hồ hóa Khi nhiệt độ được xác định, điểm đông kết của sol và hệ số độ cứng của gel cũng tăng Ngoài ra, nhiệt độ tạo gel của agarose cao hơn khi hàm lượng metoxyl tăng, và tốc độ làm lạnh chậm sẽ dẫn đến nhiệt độ gel hóa agarose cao hơn.
2.1.4 Độ bền của gel agar
Độ bền gel là chỉ số quan trọng phản ánh chất lượng của gel agar, nhưng không thể hiện đầy đủ tất cả các đặc tính vật lý và khả năng tạo gel của agar Đối với agarose, độ bền gel được định nghĩa là lực tính bằng gam trên centimet vuông cần thiết để làm đứt gãy gel agarose 1% Giá trị này được xác định dưới các điều kiện kiểm soát cụ thể.
Ảnh hưởng của axit và kiềm đến độ bền của gel
Hình 2.1 minh họa tác động của axit sulfuric và natri hydroxit đến độ bền gel của agar, cho thấy axit sulfuric có ảnh hưởng mạnh hơn natri hydroxit Ngoài ra, việc hòa tan agar trong dung dịch axit nước sôi dẫn đến sự phân hủy đáng kể Hình 2.2 trình bày ảnh hưởng của natri cacbonat đến độ bền gel của agar, trong đó việc bổ sung 10 mg/lít Na2CO3 vào agar có tính axit nhẹ giúp cải thiện độ bền gel.
Hình 2.1 minh họa tác động của axit sunfuric và natri hydroxit đến độ bền và độ pH của gel Cụ thể, (a) axit hoặc kiềm được bổ sung vào dung dịch agar nóng ngay sau khi ngừng đun sôi; (b) agar được hòa tan trong nước sôi có chứa axit hoặc kiềm.
Độ bền gel của agar đạt ổn định nhất ở pH 7 hoặc hơi trên 7, vì vậy khi cần thêm axit vào quá trình chuẩn bị gel, nên thực hiện sau khi agar đã hòa tan và ở nhiệt độ dưới 100 độ C Ngoài ra, các hóa chất tẩy trắng như natri dithionite và natri hypoclorit cũng có thể được sử dụng trong sản xuất agar, ảnh hưởng đến độ bền gel tương tự như axit.
2.1.5 Điểm nóng chảy của gel
Có mối liên hệ giữa độ bền của gel và điểm nóng chảy, với độ bền gel tăng đồng nghĩa với điểm nóng chảy cũng tăng Tuy nhiên, có những ngoại lệ như Agar Ceramium, do cấu trúc đặc biệt của nó Nồng độ cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ nóng chảy; ở nồng độ thấp, điểm nóng chảy của gel agar phụ thuộc vào nồng độ, trong khi ở nồng độ cao, nó trở nên độc lập Điểm nóng chảy thực tế của agar còn phụ thuộc vào loại và nguồn gốc của agar.
Cơ chế tạo gel của agar
Agarose, thành phần chính của agar, có khả năng tạo gel mạnh khi được làm lạnh sau khi ở nhiệt độ cao, nơi nó tồn tại dưới dạng “cuộn dây ngẫu nhiên” Quá trình gel hóa liên quan đến sự sắp xếp của chuỗi xoắn kép, với các nguyên tử hydro trên gốc 3,6-anhydro-α-L-galactose đóng vai trò quan trọng trong việc tạo hình dạng xoắn kép của phân tử Mạng lưới gel hình thành nhờ vào sự hiện diện của các gốc liên kết 1-4 không thường xuyên trong agarose tự nhiên, cho phép cấu trúc có hình dạng “chiếc ghế” bình thường và tạo ra mạng lưới gel ba chiều Mỗi vùng giao nhau trong mạng lưới này bao gồm từ 7 đến 11 vòng xoắn kép, và cơ chế tạo gel của agarose được cho là tương tự với carrageenans và furcellaran.
Nghiên cứu năm 1986 cho thấy rằng các bó liên kết của xoắn kép thuận tay phải trong gel agarose có sự chuyển đổi khi làm lạnh, dẫn đến việc hình thành một mạng lưới ba chiều Sự tương tác giữa các vòng xoắn diễn ra tại các "vùng tiếp giáp", giúp cố định các phân tử nước trong cấu trúc của gel (Arnott et al., 1974) Gần đây, mô hình xoắn kép cho gel agarose đã được kiểm tra lại thông qua phương pháp quay quang học (Schafer and Stevens).
Gel hóa và làm tan agar
Agar là chất tạo gel duy nhất có khả năng hình thành gel ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với nhiệt độ nóng chảy của nó, cụ thể là tạo gel cứng ở nồng độ 1% (w/w) Quá trình chuyển đổi từ dạng sol sang gel diễn ra ở khoảng 30-40°C, tạo ra gel cứng có khả năng duy trì hình dạng Gel tự hỗ trợ có thể được hình thành với nồng độ 0,1% agar Trong quá khứ, gel agar thường được mô tả là giòn, nhưng hiện nay, độ đàn hồi và độ cứng có thể đạt được thông qua việc sử dụng các loại agar khác nhau Để làm tan chảy gel, cần đun nóng đến 85-95°C.
Độ bền của gel và điểm nóng chảy có mối quan hệ tương đồng, với cả hai đều tăng theo cùng một hướng, mặc dù có một số ngoại lệ Nghiên cứu của Matsuhashi (1972) cho thấy khi lập biểu đồ nồng độ agar logarit so với giá trị agar đảo của nhiệt độ tuyệt đối, nhiệt năng cần thiết để phân ly liên kết ngang của gel (-ΔH ο tính bằng kcal.mol -1) có thể được tính toán, trong đó R là hằng số khí và k = 2.303R.
2.303𝑅𝑇 ) + 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 có thể được chuyển đổi thành:
Độ cứng của agar có mối liên hệ chặt chẽ với giá trị -∆H o, trong đó giá trị càng lớn thì cảm quan càng cứng Các giá trị -∆H o thường dao động từ hàng chục đến hàng trăm kcal/mol, với giới hạn tối đa lên tới 2000 kcal/mol (Matsuhashi, 1990).
Agar metyl hóa cao được chiết xuất từ rong biển đỏ Gracilaria eucheumoides tại Nhật Bản có khả năng tạo gel thuận nghịch nhiệt với nhiệt độ nóng chảy cao lên đến 121°C và cấu trúc lặp lại thường xuyên Nhiệt độ nóng chảy của agar được đo bằng thiết bị tự động, trong đó một quả bóng thép không gỉ được đặt trên bề mặt gel và được nung nóng với tốc độ không đổi Nhiệt độ của gel được đo bằng cặp nhiệt điện, trong khi sự dịch chuyển của quả cầu thép khi gel tan chảy được phát hiện thông qua hệ thống quang học, sử dụng máy quay video kỹ thuật số và dãy tế bào photodiode Bộ xử lý dữ liệu chuyển đổi tín hiệu từ máy ảnh thành tín hiệu tỷ lệ với độ dịch chuyển của quả bóng.
Kỹ thuật đo nhiệt lượng quét vi sai (DSC) đã được áp dụng trong nghiên cứu gel agarose, cho thấy điểm nóng chảy tăng khi tốc độ gia nhiệt vượt quá 0,5°C/phút Điểm nóng chảy cũng phụ thuộc vào trọng lượng của quả cầu thép, với sự gia tăng khi nồng độ gel tăng Các tác giả đã thảo luận về vai trò của nhiệt trong quá trình hình thành cấu trúc mạng của gel agarose.
Tính chất cơ học của gel agar, carrageenan và alginate được khảo sát qua nhiều nồng độ gum và chất đông kết, cũng như các phương pháp chuẩn bị gel khác nhau Kết quả cho thấy gel agar và alginate có mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất chảy và mô đun biến dạng, tương ứng với nồng độ chất keo.
Biểu đồ trong Hình 2.3 thể hiện mối quan hệ giữa nồng độ chất keo và ứng suất chảy của gel agar, alginate và carrageenan Các giá trị ứng suất năng suất bên trái tương ứng với gel agar và alginate, trong khi các giá trị bên phải áp dụng cho carrageenan (Nguồn: Nussinovitch và cộng sự, 1990c; được phép của Nhà xuất bản Đại học).
Hình 2.4 minh họa ảnh hưởng của nồng độ chất keo đến mô đun biến dạng của gel agar, alginate và carrageenan Các giá trị mô đun biến dạng bên trái áp dụng cho agar và alginate, trong khi các giá trị bên phải dành cho carrageenan Nguồn: Nussinovitch và cộng sự, 1990c; được phép từ Nhà xuất bản Đại học.
Hàm lượng gum càng cao thì gel agar càng cứng và chắc (Hình 2.3 và 2.4) Meer
Năm 1980 đã ghi nhận sự gia tăng tuyến tính trong gel agar khi nồng độ gum được nâng từ 1% lên 2% Điều quan trọng là các điều kiện chuẩn bị có thể ảnh hưởng đến các đặc tính cơ học chưa được đo lường và kết quả nhận biết được Nghiên cứu về độ đàn hồi của agar cũng như mối quan hệ giữa công việc phục hồi và mô đun thư giãn tiệm cận đã được thực hiện.
Các thông số cơ học như hệ số độ cứng và tải trọng phá vỡ của gel agar giúp mô tả các tính chất vật lý của nó Nghiên cứu DSC, lưu biến học, tia X và NMR đã cung cấp thông tin chi tiết về gel agarose đặc Cần lưu ý rằng sự hòa tan agar trong dung dịch axit sôi có thể gây ra sự phân hủy đáng kể Gel agar ổn định nhất ở pH nhỏ hơn 7, và việc bổ sung 10 mg.l -1 natri cacbonat vào agar có tính axit nhẹ có thể cải thiện độ bền của gel.
Điện di trên gel
Sự co lại của gel agar gây ra hiện tượng đồng điện, với lượng nước tổng hợp tỷ lệ nghịch với bình phương nồng độ ở hầu hết các nồng độ thực tế Sự đồng bộ của gel agar chịu ảnh hưởng bởi thời gian giữ, độ bền gel biểu kiến, hệ số độ cứng, áp suất và tổng hàm lượng sulfat Quá trình tổng hợp cơ học, như khi thực phẩm dạng gel bị nghiền nhỏ, có thể tạo ra cảm giác "ngon ngọt" trong miệng, nhưng mức độ tổng hợp này sẽ giảm khi nồng độ gum tăng lên Áp suất thẩm thấu cao hơn do nồng độ gum tăng sẽ dẫn đến áp suất cơ học.
Độ trong của gel
Sols agarose thường trong và không màu, trong khi dung dịch agar có màu mờ đục và đôi khi hơi vàng Gel agar thường đục và mờ, ngược lại, gel agarose thường trong hơn Khi đông lạnh ở khoảng 0°C, gel agar sẽ xẹp xuống và không phục hồi được trạng thái gel khi rã đông, nhưng có thể nấu lại để đạt được các đặc tính tương tự.
Ảnh hưởng của việc thêm các vật liệu khác đến đặc tính của agar
Ảnh hưởng của muối vô cơ đến thời gian đông kết agar đã được nghiên cứu kỹ lưỡng, trong đó kali sulfat là muối có tác dụng đẩy nhanh quá trình gel hóa, trong khi iốt kém hiệu quả hơn Các muối sắt và sắt ở nồng độ 1 ppm làm giảm độ trong suốt của gel agar 1% Natri clorua, hay muối ăn, có tác dụng tăng nhẹ độ bền của gel Bên cạnh đó, việc bổ sung đường lên đến 60% cũng góp phần tăng cường sức mạnh của agar Nghiên cứu của Nishinari et al (1995) đã chỉ ra ảnh hưởng của các loại đường như sucrose, glucose, fructose, maltose, galactose, mannose và ribose đến quá trình chuyển đổi gel-sol của agarose và k-carrageenan.
Một mô hình toán học đã được xây dựng để dự đoán nhiệt độ của gel agar chứa sucrose khi được làm nóng bằng lò vi sóng Mô hình này dựa trên đặc tính điện môi của gel và công suất hấp thụ bởi mẫu, giúp hiểu rõ hơn về quá trình làm nóng.
Nghiên cứu cho thấy sự chứng thực nhiệt độ trong gel hình trụ được làm nóng bằng lò vi sóng với 2% agar và các mức sacaroza khác nhau (0,40% và 60%) có ảnh hưởng đáng kể đến cấu hình nhiệt độ Cụ thể, các mẫu không chứa sacaroza thể hiện hiệu ứng gia nhiệt trung tâm rõ rệt, trong khi các mẫu với 40% sacaroza cho thấy sự phân bố nhiệt đồng nhất sớm hơn, và mẫu với 60% sacaroza lại có bề mặt nóng lên nhanh chóng (Padua, 1993).
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng gel agar có thể được cải thiện sức mạnh tối đa bằng cách bổ sung LBG Khi natri alginate được thêm vào gel agar trước quá trình đông kết, alginate sẽ được liên kết chéo bởi canxi clorua Gel agarose-gelatin ở nồng độ cao có xu hướng kết dính với nhau Ngoài ra, các đặc tính hóa lý của gel bao gồm tính lưu biến liên quan đến trọng lượng phân tử, sự giãn nở nhiệt, cùng với các đặc tính PMR và NMR, cũng như khả năng tạo màng của gel.
ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
Công nghiệp làm bánh
Gel agar có khả năng chịu nhiệt cao, vì vậy nó được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp nướng bánh Agar được sử dụng như một chất ổn định trong các sản phẩm như nhân bánh, kem, và các loại bánh khác Kem, một thành phần quan trọng trong bánh ngọt, bao gồm shortening, chất rắn sữa, chất ổn định, muối và hương liệu Để cải thiện độ ổn định của kem, người ta thường giảm hàm lượng nước và thêm các loại gum Agar, cùng với các chất tạo độ nhớt như LBG, alginate, carrageenan, pectin và gum karaya, có thể được sử dụng để tăng cường độ ổn định Công thức cho kem thường bao gồm agar 0,35%, muối 0,3%, chất nhũ hóa 0,4%, đường hạt 15,0%, và đường phủ 73,0%, cùng với đủ nước để hoàn thành 100% Các lớp phủ khác nhau được chuẩn bị với agar bằng cách đun sôi trong dung dịch đường, sau đó thêm đường phủ Việc bổ sung agar với tỷ lệ 0,5-1,0% tùy thuộc vào hàm lượng đường giúp tăng độ nhớt của men và cải thiện tính chất kết tinh, đồng thời giúp lớp men bám dính tốt hơn vào bánh, dẻo hơn và chống chảy Chất ổn định được cải tiến còn có thể đạt được bằng cách trộn agar với các tác nhân hoạt tính bề mặt như sorbitan este của axit béo cao.
Agar trong bánh kẹo
Agar có thể được sử dụng trong bánh kẹo với nồng độ từ 0,3-1,8%, đồng thời cũng là chất độn trong thanh kẹo Trong sản xuất kẹo agar, tinh bột và pectin thường được sử dụng với tỷ lệ lớn hơn so với agar, nhờ vào tính hòa tan và độ bền mà agar mang lại cho sản phẩm.
Hình 3.2: Gel agar ngọt nhiều lớp ăn liền
Các sản phẩm từ thịt và cá
Agar với nồng độ từ 0,5-2,0% được sử dụng để tạo gel trong các sản phẩm thịt và cá mềm, giúp bảo vệ mô giòn khỏi tổn thương trong quá trình vận chuyển và ngăn ngừa biến dạng kết cấu Agar được ưa chuộng hơn gelatin và carrageenan nhờ vào nhiệt độ nóng chảy cao và độ bền gel tốt hơn Vào thập niên 1960, Nhật Bản đã xuất khẩu cá ngừ đóng hộp bảo quản trong agar sang Tây Âu, trong khi gelatin và các chất làm đặc tự nhiên khác thường được sử dụng trong sản phẩm thịt bò đóng hộp.
Agar trong chế biến thực phẩm có hàm lượng chất xơ cao
Xu hướng hiện đại trong chế độ ăn uống là tăng cường chất xơ, nhưng từ thế kỷ 19, việc nâng cao giá trị dinh dưỡng thực phẩm đã dẫn đến chế độ ăn giàu protein nhưng thiếu chất xơ Điều này gây giảm khối lượng tiêu hóa và tạo ra dịch ruột ít hơn, dẫn đến tình trạng táo bón ngày càng gia tăng, đặc biệt ở các nước phát triển.
Ngày nay, việc tiêu thụ chất dinh dưỡng với lượng hợp lý là cần thiết để duy trì chế độ ăn uống cân bằng Các nguồn thực phẩm giàu chất xơ như bánh mì nguyên hạt và mì ống, cũng như chất xơ tinh khiết như chất keo và gum, có khả năng giữ lại các hợp chất trong ruột như nước, glucose, protein và chất béo Ngoài ra, chúng còn tương tác với vi khuẩn trong đại tràng, góp phần vào sức khỏe tiêu hóa.
Chất xơ ăn được là phần dinh dưỡng không tiêu hóa, có khả năng di chuyển qua đường tiêu hóa và lên men tại ruột kết, giúp đào thải các chất không lên men cùng với nước và vi khuẩn đường ruột Đặc biệt, agar được xem là nguồn thực phẩm chứa hàm lượng chất xơ hòa tan cao nhất hiện nay.
Xơ ăn được được chia thành hai loại chính: xơ hòa tan và xơ không hòa tan Xơ hòa tan hoàn toàn trong dung dịch nước trung tính hoặc axit ở nhiệt độ 100°C, như chất keo, trong khi xơ không hòa tan không thể hòa tan do bản chất hóa học của chúng, thường có nguồn gốc từ cellulose với hàm lượng cao, chẳng hạn như trong cám ngũ cốc Các loại xơ này thể hiện những đặc tính riêng biệt, ảnh hưởng đến sức khỏe và chế độ dinh dưỡng.
- Xơ không hòa tan (cellulose)
+ Có khả năng giữ nước thấp
+ Tạo thành hỗn hợp có độ nhớt cao trong ruột
+ Lên men một phần trong ruột do hệ vi sinh tạo ra đầy hơi
+ Có khả năng giữ nước cao
+ Tạo thành hỗn hợp có độ nhớt thấp trong ruột
+ Không lên men, do đó không tạo ra đầy hơi
+ Bị phân hủy bởi vi khuẩn coliform trong ruột kết.
Các mục đích sử dụng khác
Agar, giống như carrageenan, được sử dụng để thiết kế màng và chất kháng sinh tan trong nước, giúp bảo quản gia cầm lâu hơn Nó cũng được dùng trong sản xuất nước chiết xuất từ bột cá cho súp và chế phẩm tạo hương vị Mức agar từ 0,05-0,85% cải thiện độ ổn định và cảm quan của pho mát và pho mát kem Ngoài ra, agar còn tạo gel cho kem hoặc sữa, giúp hình thành vật liệu rắn hòa tan trong cà phê hoặc trà nóng Trong quá trình tinh chế rượu vang, agar ở mức 0,05-0,15% cũng được áp dụng Nhiều công dụng của agar xuất hiện trong sản phẩm ăn chay và sức khỏe, như chất tạo phồng trong ngũ cốc, món tráng miệng không tinh bột, salad aspic, bánh pudding, trái cây, bơ, mứt và chất bảo quản.