BÀI 1: PHỤ GIA TẠO GEL
1.4. Trả lời câu hỏi
Câu 1: Cơ chế hoạt động của phụ gia đông đặc
Dưới tác động của nhiệt cơ lý,các cấu trúc bậc 3,4 các phân tử chuyển thành cấu trúc 1,2. Sau đó các chuổi cấu trúc 1,2 sẽ sắp xếp liên kết lại thành cấu trúc có trật tự, trở thành cấu trúc không gian ba chiều nhốt phân tử nước bên trong. Trong quá trình liên kết và sắp xếp lại cấu trúc tùy vào mỗi loại mà nó sẽ tùy thuộc vào môi trường và các tác nhân làm tăng liên kết mà gel tạo ra mềm hay cứng.
Câu 2: Tính chất và cơ chế hoạt động của các loại phụ gia
Agar:
TÍnh chất:
Agar Thạch (Agar-agar xu xoa hay Gelose) là một chất vô định hình, cho với nước nóng thạch ở dạng dung dịch nhầy và đặt lại khi nguội. người ta đã tìm hơn 40 loài chứa nhiều xu xoa: Gracilaria, Gracilariopsis, Euchema, Gelidium, Gediliella…
Araki (1956) cung cấp các chứng cứ chứng minh tính khác thể của Agar, các Agar tách thành hai tên khác nhau Polysaccharides là Agarose và Aparopectin bằng cách sử dụng phương pháp Acetylation.
Agar là một Polisaccharid hầu như chỉ có trong rong đỏ.. Cấu tạo cơ bản của Agar gồm các đơn vị D-galactose và L-galactose. Chúng liên kết với nhau theo kiểu Beta-
1.3 D-galactose và Beta-1.4 L- galactose, cứ khoảng 10 đơn vị Galactose thì có một nhóm Sunfat ở đơn vị Galactose cuối. trong mạch Polisaccharit của Agar có dạng liên kết Ester ở cacbon thứ 6 của Acid sunfurit (Jones, Peat 1942).
Công thức cấu tạo Agar-Agar
Agarose có cấu tạo mạch thẳng, trung tính, từ các gốc Beta D- galactopyranose và 3-6- alhidro-L- galactose. Cả hai gốc có sự xấp xếp xen kẽ. Độ bền các liên kết khác nhau.
Liên kết Alpha 1-3 dễ phân hủy bằng Enzim tạo thành Neoagarobiose. Liên kết Beta 1-4 dễ thủy phân với xúc tác của Acid và tạo thành gốc Agar- agarobiose. Agar- agarobiose làm cho Agar-agar trong môi trường nước có khả năng tạo gel.
Agaropectin có khả năng tạo gel thấp trong nước. cấu trúc của nó đến nay vẫn chưa xác định rõ. Chỉ biết rằng nó được tạo nên bởi sự xấp xếp xen kẻ giữa D- galactose và L-galactose và chúng chứa tất cả các nhóm phân cực trong Agar.
Các Agarose là hầu như vô Polymer, trong khi Agaropectin là một Acidic polymer.
Sau đó, Araki et al và các nhà khoa học – bằng cách thủy phân và thoái biến Enzymic của Agar – cô lập Agarobiose và Neoagarobiose, theo thứ tự tương ứng và tiết lộ rằng Agarose là gồm Agarobiose lặp đi lặp lại, Disaccharide xen với 1,3-liên kết –Beta-D- galactoptranose va 1,4- liên kết-3, 6-anthydro-alpha-L- galactopyranose
Các Agaropectin dường như hoàn toàn là Agarose, nhưng có chứa lượng Axit nhóm như Sulfate, Pyruvate và Glucuronate nhóm.
Agar không chỉ có tính chất trung tính mà còn có những tính chất của Polysaccharide nhưng lại gồm một loạt những chuỗi phức tạp liên quan đến Polysaccharides từ một phạm vi mà hầu như vô phân tử xuất phát từ muối Sulfated hidratcacbon. Các Polysaccharide vô gelling có khả năng và tiếp cận cấu trúc của Agarose, mà vẫn còn chứa đựng một lượng nhỏ Sulfate (0,1 đến 0,5%) và Pyruvic acid (0,02%).
Cơ chế tạo gel – thuộc tính của agar:
Tính đông đặc Agar
Agar có tính chất gels sau khi làm mát ở nhiệt độ khoảng 30 – 40°C và dạng sols khi dung nóng đến 90 – 95°C.
Trong agar Sự hiện diện của các sulfate C6 tại các liên kết 1,4-L-galactose còn lại chẳng hạn như trong tiền thân của Agarose, trên thực tế như là một ‘Kink’ để ngăn ngừa việc hình thành từ hai helix. Kết thúc của vành đai để tạo thành 3, 6- anhydrode, và loại bỏ C-6 sulfate nhóm làm cho các chuỗi thẳng và dẫn đến những trạng thái đều đặn trong Polymer, dẫn đến tăng cường sức mạnh gel do tăng khả năng hình thành một đôi helix (Rees, 1969).
Cơ chế chuyển thể của alkali trong agar
Trong 1961 Rees thừa nhận rằng Alkali (chất kiềm) có thể loại bỏ chổ xoắn (sulfation tại C-6 của 1, 4-liên kết-L-galactose còn lại) hiện có trong phân tử Agar, và 3, 6- anhydro vòng được hình thành. Sau đó, tăng 3, 6-AG và giảm sulfate sẽ cho ra dạng Agar có tính gel mạnh.
Gel mạnh:
Các thế mạnh của một gel Agar được xác định cho mình 1% gel bằng cách sử dụng một thử nghiệm gel. Thông thường 1% Gelidium (Tảo thạch) Agars gel cho một sức mạnh khác nhau, từ 300 -500g/cm2.
Với Agar của Gracilaria (Rau câu), các gel sức mạnh trong khoảng từ 50 đến 300g/cm 2 và nó có thể đạt 500g /cm 2 hoặc nhiều hơn sau khi xử lí với Alkali.
Geling và nhiệt độ tan:
Agar từ các loại tảo khác nhau thì tính chất gel và sol chịu ảnh hưởng bởi những nhiệt độ khác nhau.
Vd : Agar từ Gelidium spp (Tảo thạch) đông đặt khoảng từ 28 đến 31°C và nhiệt độ tan từ 80°C đến 90°C, Agars từ Gracilaria (Rau câu) spp đông đặt ở nhiệt độ khoảng từ 29 – 42°C và và tan ở nhiệt độ từ 76-92°C.
Tính dẻo và trọng lượng phân tử:
Các tính dẻo Agar trạng thái hòa tan không đổi ở một nhiệt độ và tập trung là một chức năng trực tiếp của trọng lượng phân tử. Tính dẻo hiếm khi vượt quá 10-15 cp tại 1%
tập trung ở 60-90°C. Trung bình Molecular agar trọng lượng khoảng từ 8000 đến lớn hơn 100000.
Tính tương thích:
Agar thường là tương thích với hầu hết các Polysaccharides khác và với Protein trong gần như là vô điều kiện mà không có kết tủa hay dẫn đến sự thoái biến.
Pectin
Pectin là một polymer của các acid polygalacturonic và các este methyl của chúng.
Pectin có nhiều ở quả, củ hoặc thân cây. Trong thực vật, pectin tồn tại dưới hai dạng:
+ Dạng protopectin không tan, tồn tại chủ yếu ở thành tế bào dưới dạng kết hợp với polysaccharide araban.
+ Dạng hòa tan của pectin, tồn tại chủ yếu ở dịch tế bào.
Các chất pectin là các polysaccharide, mạch thẳng, cấu tạo từ sự liên kết giữa các mạch của phân tử acid D- galacturonic C6 H10O7, liên kết với nhau bằng liên kết 1,4- glucoside. Trong đó một số gốc acid có chứa nhóm methoxyl (-OCH3). Chiều dài của chuỗi acid polygalacturonic có thể biến đổi từ vài đơn vị tới hàng trăm đơn vị acid polygalacturonic.
Cấu tạo một đơn vị chuỗi pectin
Tính chất:
Pectin thuộc nhóm các chất làm đông tụ. Pectin được xem là một trong những chất phụ gia thực phẩm an toàn và được chấp nhận nhiều nhất, và điều này được chứng minh bởi hàm lượng ADI cho phép là “không xác định” được ban hành bởi các tổ chức JECFA (Joint Food Expert Committee), SCF (Scientific Committee for Food) ở liên minh châu Âu và GRAS (Generally Regarded).
Mã hiệu quốc tế của pectin là E440.
Pectin tinh chế có dạng chất bột trắng, màu xám nhạt.
Là một chất keo hút nước và rất dễ tan trong nước, không tan trong ethanol.
Khả năng tạo gel và tạo đông, khi có mặt của acid và đường.
Pectin tự do, nó mất khả năng tạo đông 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.
Dung dịch pectin có độ nhớt cao. Nếu muốn thu dịch quả ép thì dung dịch này bất lợi, người ta phải dùng enzyme pectinase để thủy phân pectin, giảm độ nhớt.
Còn đối với pectin tan thì dưới tác dụng của pectinase sẽ biến thành acid pectinic (thường dưới dạng muối Ca và Mg) và các chất đơn giản khác như rượu methylic, acid acetic, arabinose, galactose.
Pectin hòa tan khi bị tác dụng của chất kiềm loãng hoặc enzyme pectinase sẽ giải phóng nhóm methyl dưới dạng rượu methylic, polysaccharide còn lại khi đó gọi là acid pectin tự do, nghĩa là chứa acid polygalacturonic. Acid pectin có thể tạo nên dạng muối canxi pectat, chất này chuyển thành dạng kết tủa dễ dàng, do đó được dùng để định lượng các chất pectin.
Cơ chế tạo gel
+ Điều kiện tạo gel: [Đường] > 50%, pH = 3 ÷ 3,5; [Pectin] = 0,5 ÷ 1% Đường có khả năng hút ẩm, vì vậy nó làm giảm mức độ hydrat hóa của phân tử pectin trong dung dịch. Ion H được thêm vào hoặc đôi khi chính nhờ độ acid của quá trình chế biến trung hòa bớt các gốc COO–, làm giảm độ tích điện của các phân tử. Vì vậy các phân tử có thể tiến lại gần nhau để tạo thành liên kết nội phân tử và tạo gel.
+ Cấu trúc của gel: phụ thuộc vào hàm lượng đường, hàm lượng acid, hàm lượng pectin, loại pectin và nhiệt độ.
30 ÷ 50% đường thêm vào pectin là saccharose. Do đó cần duy trì pH acid để khi đun nấu sẽ gây ra quá trình nghịch đảo đường saccharose, ngăn cản sự kết tinh của đường saccharose. Tuy nhiên cũng không nên dùng quá nhiều acid vì pH quá thấp sẽ gây ra nghịch đảo một lượng lớn saccharose gây kết tinh glucose và hóa gel nhanh tạo nên các vón cục.
Khi dùng lượng pectin vượt quá lượng thích hợp sẽ gây ra gel quá cứng do đó khi dùng một nguyên liệu có chứa nhiều pectin cần tiến hành phân giải bớt chúng bằng cách đun lâu hơn.
Khi sử dụng một lượng cố định bất cứ một loại pectin nào pH, nhiệt độ càng giảm và hàm lượng đường càng cao thì gel tạo thành càng nhanh.
+ Điều kiện tạo gel: khi có mặt Ca-2+, ngay cả ở nồng độ < 0,1% miễn là chiều dài phân tử pectin phải đạt mức độ nhất định. Khi đó gel được tạo thành ngay cả khi không thêm đường và acid.
Khi chỉ số methoxyl của pectin thấp, cũng có nghĩa là tỷ lệ các nhóm – COO– cao thì các liên kết giữa những phân tử pectin sẽ là liên kết ion qua các ion hóa trị hai đặc biệt là Ca-2+.
+ Cấu trúc của gel: phụ thuộc vào nồng độ Ca-2 và chỉ số methoxyl. Gel pectin có chỉ số methoxyl thấp thường có tính chất đàn hồi giống như gel agar – agar.
Carrageenan
Carrageenan là một hỗn hợp phức tạp của ít nhất 5 loại polymer, cấu tạo từ các gốc D- galactose và 3,6-anhydro D-galctose. Các gốc này kết hợp với nhau bằng liên kết - 1,4 và -1,3 luân phiên nhau. Các gốc D-galactose được sulfate hóa với tỉ lệ cao. Các loại carrageenan khác nhau về mức độ sulfate hóa.
Tính chất
– Màu hơi vàng, màu nâu vàng nhạt hay màu trắng.
– Dạng bột thô, bột mịn và gần như không mùi
– Không tan trong ethanol, tan trong nước ở nhiệt độ khoảng 80oC tạo thành một dung dịch sệt hay dung dịch màu trắng đục có tính chảy; phân tán dễ dàng trong nước hơn nếu ban đầu được làm ẩm với cồn, glycerol, hay dung dịch bão hòa glucose và sucrose trong nước.
– Độ nhớt của dung dịch tùy thuộc vào loại carrageenan, khối lượng phân tử, nhiệt độ, các ion có mặt và hàm lượng carrageenan.
– Cũng như những polymer mạch thẳng có mang điện tích khác, độ nhớt tỉ lệ thuận với hàm lượng.
– Carrageenan có khả năng tương tác với nhiều loại gum đặc biệt là locust bean gum, trong đó tùy thuộc vào hàm lượng nó sẽ có tác dụng làm tăng độ nhớt, độ bền gel và độ đàn hồi của gel. Ở hàm lượng cao carrageenan làm tăng độ bền gel của guar gum nhưng ở hàm lượng thấp, nó chỉ có thể làm tăng độ nhớt.
– Khi carrageenan được cho vào những dung dịch của gum ghatti, alginate và pectin nó sẽ làm giảm độ nhớt của các dung dịch này.
– Ổn định ở pH >7, phân hủy ở pH = 5-7; phân hủy nhanh ở pH < 5.
Khả năng tạo gel
– Phụ thuộc rất lớn vào sự có mặt của các cation.
Ví dụ: Khi liên kết với K+, NH4+, dung dịch carageenan tạo thành gel thuận nghịch về nhiệt. Khi liên kết với Na thì carrageenan hòa tan trong nước lạnh và không có khả năng tạo gel.
Muối K+ của carrageenan có khả năng tạo gel tốt nhất nhưng gel giòn và dễ bị phân rã. Chúng ta có thể giảm độ giòn của gel bằng cách thêm vào locust bean gum.
Carrageenan có ít liên kết ion hơn nhưng khi tăng lực liên kết có thể tạo gel đàn hồi.
Carrageenan không có khả năng tạo gel. Muối K+ của nó tan trong nước.
Tính chất của gel
– Dung dịch nóng của kappa và iota carrageenan sẽ tạo gel khi được làm nguội xuống từ 40 – 60oC dựa vào sự có mặt của các cation. Gel carrageenan có tính thuận nghịch về nhiệt và có tính trễ nhiệt, có nghĩa là nhiệt độ tạo gel và nhiệt độ nóng chảy của gel khác nhau. Gel này ổn định ở nhiệt độ phòng nhưng khi gia nhiệt cao hơn nhiệt độ tạo gel từ 5 – 12oC thì gel có thể chảy ra. Khi làm lạnh sẽ tạo gel lại. Thành phần ion trong một hệ thực phẩm rất quan trọng đến hiệu quả sử dụng carrageenan. Ví dụ:
kappa-carrageenan chọn ion K để làm ổn định vùng tạo liên kết, tạo trạng thái gel chắc, giòn. Iota carrageenan chọn Ca2+ nối giữa các chuỗi tạo cấu trú gel mềm và đàn hồi.
Sự có mặt của các ion cũng có ảnh hưởng lên nhiệt độ hydrat hóa của carrageenan, nhiệt độ tạo gel và nhiệt độ nóng chảy
Gelatin
Tính chất
-Gelatin là một chất keo thu được từ chất keo sống của xương , da, gân … của động vật ( nói chung là nguyên liệu có collagen).
- Gelatin là sản phẩm của quá trình thủy phân một phần collagen. Lấy từ các lò
mổ, thuộc da.
- Gelatin là các polypeptide cao phân tử dẫn xuất từ collagen, là thành phần protein chính trong các tế bào liên kết của nhiều loại động vật. Cấu tạo là một loại chuỗi acid amin gồm 3 acd amin chủ yếu là glyxin, prolin và hydroprolin. Trong phân tử gelatin, các acid amin lien kết với nhau tạo chuỗi xoắn ốc có khả năng giữ nước.
- Thành phần acid amin có trong gelatin là: aspartic acid (6%), arginin( 8%),
alanin (9%), glutamic acid (10%), prolin và hydroprolin (25%), glycine (27%), các acid amin khác (10%).
- Gelatin ở dạng hạt màu vàng nhạt tới trong suốt.
- Ở nhiệt độ thường : không tan, hút nước , trương nở, lượng nước hấp thu gấp 5-10 lần thể tích.
- Gia nhiệt ở 50-550C: hóa lỏng , nhiệt độ nóng chảy thấp( 27- 340C), khi hóa lỏng khối lượng và thể tích tăng.
- Hạ nhiệt độ ( 10-150C ): thì đông tụ tạo thành dung dịch keo mềm , độ nhớt cao. Khi nồng độ của dung dịch vượt quá 10% tạo nên ứng lực rất lớn khoảng 2kg/cm2. Những người sx kẹo lợi dụng tính chất này của gelatin để sx kẹo mềm làm cho khối kẹo mềm, ổn định, đàn hồi, có thể chịu được tại trọng tương đối mà không bị biến dạng.
-Gelatin là loại keo ưa nước điển hình . Nếu gia nhiệt trong thời gian dài , Gelatin sẽ phân giải thành pectin , phân gỉai càng nhiều cường độ đông tụ càng giảm.
- Năng lực đông tụ càng lớn , thì lượng Gelatin sử dụng càng ít.
Cơ chế
Gelatin trương nở khi cho vào nước lạnh, lượng nước hấp thu gấp 5 -10 lần thể tích chính nó
Khi gia nhiệt nó bị nóng chảy, hòa tan và thành lập gel khi làm lạnh.
Sự chuyển dạng sol sang dạng gel có tính thuận nghịch và có thể lặp đi lặp lại nhiều lần. đây chính là tính chất đặc biệt được ứng dụng nhiều trong thực phẩm.
Gelatin có nhiệt độ nóng chảy thấp 27- 34 0C. độ tan chảy của gel gelatin phụ thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ và kích thước của hạt gelatin. Gelatin tan trong rượu và các dung môi hữu cơ.
Xanthan gum
Tính chất
-Khối lượng phân tử 2*10^6.Xanthan gum tương tác với guar gum để tăng độ nhớt của dung dịch.Tương tác với locust bean gum tạo ra 1 loại gel thuận nghịch với nhiệt.
-Xanthan gum không hòa tan trong dung môi hữu cơ (nhưng hydrate hóa trong glycerol ở 650C).
-Sau khi hydrate hóa trong nước –> thêm đến 50% ethanol hoặc propanol –> không kết tủa xanthan gum.
-Tương tác tốt với các chất làm đặc khác: tinh bột, carrageenan, pectin, gelatin, agar, alginate và dẫn xuất cellulose.
-Tính chất: hòa tan trong nước nóng và nước lạnh, độ nhớt dung dịch cao khi nồng độ thấp, không có sự thay đổi rõ ràng về độ nhớt khi nhiệt độ từ 0-1000C (tính chất độc đáo), hòa tan và ổn định trong môi trường acid, khả năng tương tác tốt với muối, tương tác với những loại gum khác như locust bean gum, ổn định hệ nhũ tương và huyền phù, ổn định dung dịch tốt khi đông lạnh và rã đông.
-Xanthan gum tương hợp với nhiều loại acid hữu cơ: acetic, citric, lactic, tartaric và phosphoric acid
-Xanthan gum có nồng độ 0.3% trong nước đã khử ion có nhiệt độ thay đổi hình dạng là 400C > trong TP có hàm lượng muối thấp là 900C –> muối giúp ổn định hình dạng có trật tự của xanthan gum và ổn định độ nhớt của nó.
Câu 3.Trình bày tác hại có thể xảy ra khi sử dụng sai những phụ gia trong bài thí nghiệm?
-Khi sử dụng sai những phụ gia trong bài thí nghiệm như:Agar, Pectin, Xanthangum, Gelatin và Carrageena thì sẽ không đạt cấu trúc như mong muốn.
-Làm cho sản phẩm có cấu trúc như cao su
-Hàm lượng lớn ảnh hưởng tới sức khỏe gây:đau bụng,tiêu chảy
Câu 4:Nêu phương pháp xác định agar, carrageenan, polyphotphat, gelatin,...
Phương pháp xác định Agar:
Tạo gel với nước : Pha dung dịch mẫu thử 1% trong nước sôi,cho vào bình,đặt bình trong bể cách thủy 30oC trong 15 phút.Tạo gel rắn và bền.Đặt bình trong bể cách thủy 700C trong 1 giờ.Gel không bị chảy.Khi gia nhiệt đến > 950,gel bị chảy tạo thành dung dịch trong.
Tạo kết tủa với dung dị ch amoni sunfat:Dung dịch mẫu thử 0,5%(ủ ấm khoảng 400) với thể tớch khoảng ẵ thể tớch dung dịch mẫu thử.Phộp thử này phõn biệt thạch với cỏc phụ gia còn lại.
Tạo kết tủa với dung dị ch chì acetat: Dung dịch mẫu thử 0,5%(ấm)tạo kết tủa khi thêm dung dịch chì acetat(ấm) với thể tích bằng 1/5 thể tích dung dịch mẫu thử.Phép thử này phân biệt thạch với methyl cellulose.
Phương pháp xác định Carrgeenan:
Sunfat: Hòa tan 100mg mẫu trong 20 ml nước (gia nhiệt nếu cần) ,thêm 3ml dung dịch BaCl2 TS và 5ml dung dịch acid HCl loãng;lọc nếu có kết tủa.Đun sôi dung dịch hoặc phần dịch được lọc ra 5 phút.Xuất hiện kết tủa tinh thể trắng.