Tìm hiểu về Phụ gia tạo gel – tạo đặc Carrageenan và ứng dụng

Carrageenan là một phụ gia thực phẩm trong nhóm hỗ trợ cấu trúc, với chức năng là tạo gel, tạo đặc. Bài viết này tập trung miêu tả loại phụ gia này để các bạn có thể hiểu về nó một cách nhanh nhất!

Nguồn gốc Carrageenan

Được chiết xuất từ loại tảo đỏ có nguồn gốc từ Ireland, mọc dọc theo bờ biển Anh, Pháp, Tây Ban Nha, Island. Chiết xuất Carrageenan bằng nước nóng dưới điều kiện khá kiềm, sau đó cho kết tủa hay cô đặc.

Tên gọi khác

Irish moss gelose (từ Chondrus spp.); Eucheuman (từ Eucheuma spp.); Iridophycan (từ Iridaea spp.); Hypnean (từ Hypnea spp.); Furcellaran or Danish agar (từ Furcellaria fastigiata); INS No. 407.

Cấu tạo

Là một hỗn hợp phức tạp của ít nhất 5 loại polymer:

Carrageenan, 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. Chúng khác nhau về mức độ sulfate hóa.

Mạch polysaccharide của các carrageenan có cấu trúc xoắn kép. Mỗi vòng xoắn do 3 đơn gốc disaccharide tạo nên.

Các polysaccharide phổ biến của carrageenan là kappa-, iota- và lambda- carrageenan:
Kappa-carrageenan là một loại polymer của D-galactose- 4-sulfate và 3,6-anhydro D-galctose. Iota-carrageenan cũng có cấu tạo tương tự Kappa-carrageenan, ngoại trừ 3,6-anhydro-galactose bị sulfate hóa ở C số 2. Lambda-carrageenan có monomer hầu hết là các D-galactose- 2-sulfate (liên kết 1,3) và D-galactose-2,6-disulfate (liên kết 1,4).

Mu và nu carrageenan khi được xử lý bằng kiềm sẽ chuyển thành kappa và iota- carrageenan

Phương pháp sản xuất carrageenan trong công nghiệp

Carrageenan được thu nhận bằng cách chiết từ tảo biển bằng nước hay bằng dung dịch kiềm loãng và được thu lại bằng sự kết tủa bởi cồn, sấy thùng quay, hay kết tủa trong dung dịch KCl và sau đó làm lạnh. Cồn được sử dụng trong suốt quá trình thu nhận và tinh sạch là methanol, ethanol và isopropanol.

Sản phẩm có thể chứa đường nhằm mục đích chuẩn hóa, chứa muối để thu được cấu trúc gel đặc trưng hay tính năng tạo đặc.

Tính chất của carrageenan

• 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 80^oC 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 nó làm tăng độ bền gel của guar gum nhưng ở hàm lượng thấp, nó chỉ có thể làm tăng độ nhớt.
• Khi 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 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 – 60^oC dựa vào sự có mặt của các cation. Gel 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 – 12^oC 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. Ví dụ: iota carrageenan sẽ hydrat hóa ở nhiệt độ môi trường trong nước nhưng khi cho muối vào sẽ tăng nhiệt độ tạo gel nên được ứng dụng trong sản xuất salad-dressing lạnh. Muối Na⁺ của kappa carrageenan sẽ hydrat hóa ở 40^oC nhưng carrageenan cùng loại trong thịt muối sẽ chỉ hydrat hóa hoàn toàn ở nhiệt độ 55^oC hoặc hơn.

Quy định sử dụng

Nguyên liệu được chiết từ các loài Furcellaria, furcellaran, cũng được gọi là agar Đan Mạch, và được mã hóa riêng với số thứ tự là E408 trong danh mục các loại thực phẩm của Liên minh Châu Au. Tuy nhiên, một nghiên cứu sau này về carrageenan và furcellaran đã nhận thấy sự giống nhau về cấu trúc và chức năng của cả 2 loại nguyên liệu này nên ghép chúng lại thành E407. Tiêu chuẩn về độ tinh sạch của carrageenan từ thực phẩm gần đây đã được cải thiện bởi Council Directive 98/86/ EC, trong đó sửa lại phạm vi cho phép của các kim loai nặng và định rõ giới hạn của các acid hòa tan trong các loại carrageenan từ thực phẩm. Các nghiên cứu độc học đã xem xét các mối liên quan giữa các nguyên liệu có khối lượng phân tử thấp trong tất cả các loại carrageenan, kể cả loại tự nhiên, với sự thoái hóa của nó trong suốt quá trình chế biến và tiêu hóa. Quan điểm sau này cho thấy sự có mặt của các cation phụ trợ đã ngăn cản sự thủy phân của carrageena trong dạ dày (Marrs, 1998), và gần đây tiêu chuẩn của châu Au không còn định rõ bất kì giới hạn nào cho các nguyên liệu dưới 100kDa (Anon., 1998).

Một nghiên cứu về carrageenan ở một loạt điều kiện cho thấy trong những quy trình thực phẩm bình thường về căn bản không làm tăng tỉ lệ của các chất có phân tử lượng thấp (Marrs, 1998). Tỉ lệ của các chất này chỉ tăng đáng kể khi chế biến kết hợp với ảnh hưởng của nhiệt độ cao và pH thấp và thời gian chế biến dài. Ví dụ, gia nhiệt dung dịch kappa carrageenan ở pH4 và 120^oC không làm tăng đáng kể chất có phân tử lượng nhỏ nhưng độ bền gel giảm hơn 25% khi gia nhiệt dung dịch này ở 135 – 140^oC trong 10 giây. Thật ra vì các chất có phân tử lượng <100kDa có tính năng tạo gel và tạo đặc thấp và không có giá trị trong chế biến thực phẩm được tạo ra để giảm sự thoái hóa của carrageenan.

FOODNK