Đề tài Cellelose và tác dụng tiêu hóa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM- KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC THỰC PHẨM ‡‡‡ ĐỀ TÀI : Giảng Viên : ThS. Tôn Nữ Minh Nguyệt Sinh Viên : Nguyễn Văn Dũng (60400465) Huỳnh Tuyết Phượng (60401996) Đỗ Thu Trang (60402700) Tháng 10/2005 MỤC LỤC š&› ĐỊNH NGHĨA -----------------------------------------------------------------------------trang 1 - Sinh học - Hoá học PHÂN LOẠI -----------------------------------------------------------------------------trang 1 - Dựa theo khả năng phân tán trong nước - Dựa theo cấu trúc hoá học A- CHẤT XƠ KHÔNG HOÀ TAN -----------------------------------------------------trang 2 I. Cellulose -----------------------------------------------------------------------------trang 2 1- Cấu tạo 2- Tính chất Hoá Lý – Ứng dụng a- Tính tan b- Ảnh hưởng của nhóm hydroxyl c- Phân huỷ mạch cellulose - Thuỷ phân - Nhiệt phân - Phân huỷ mạch do oxy hoá d- Tạo nhánh trên phân tử cellulose e- Tạo liên kết giữa các phân tử cellulose f- Tính năng vật lý II. Các chất xơ không tan khác -------------------------------------------------------------trang 7 1- Hemicellulose 2- Lignin B- CHẤT XƠ HOÀ TAN -------------------------------------------------------------trang 8 I- Pectin -----------------------------------------------------------------trang 8 II- Carboxymethyl Cellulose ---------------------------------------------------------trang 9 - Cấu tạo - Tính chất vật lý - Tính chất hoá lý Độ thay thế (DS) Độ tụ hợp (DP) Tính acid - Ứng dụng C- GIÁ TRỊ DINH DƯỠNG VÀ GIÁ TRỊ TIÊU HOÁ CỦA CHẤT XƠ --------------trang 11 I- Cải thiện chức năng ruột già -------------------------------------------trang 12 II- Giảm thiểu cholesterol trong máu -------------------------------------------trang 13 III- Hỗ trợ điều trị bệnh đái tháo đường -------------------------------------------trang 13 IV- Điều chỉnh cân nặng ---------------------------------------------------------------trang 14 V- Ứng dụng khác ---------------------------------------------------------------trang 14 VI- Một số tác hại ---------------------------------------------------------------trang 14 D- NGUỒN CELLULOSE VÀ CÁC CHẤT XƠ KHÁC --------------------------------trang 15 I- Thành phần chất xơ trong tự nhiên II- Nguồn thức ăn cung cấp cellulose và các chất xơ khác III- Lượng chất xơ cần thiết cho cơ thể Tài Liệu Tham Khảo CHẤT XƠ – GIÁ TRỊ TIÊU HOÁ Định nghĩa: Sinh học: chất xơ là chất bã còn lại sau khi bị tiêu hoá, gồm: các chất cấu tạo vách tế bào: cellulose, hemicellulose, pectin, lignin các polysaccharide dự trữ, bài tiết nội bào (gums, nhầy) Hoá học: chất xơ là các polysaccharide thực vật khác với tinh bột và lignin. Trong thức ăn ngoài các thành phần dinh dưỡng như carbohydrate, lipid, protein, vitamin và muối vô cơ, còn có thành phần chất xơ với một lượng nhất định (chủ yếu gồm cellulose, hemicellulose; lignin; pectin …) Phân loại: Dựa vào khả năng phân tán trong nước (ngậm nước, giữ nước) gồm 02 loại: “Xơ tan” phân tán mạnh trong nước: pectin, gums, nhầy và vài loại hemicellulose “Tính tan” của chất xơ chủ yếu là do phân tán trong nước, nhưng không thực sự hoà tan về mặt hoá học. VD: 1g psyllium (biệt dược IGOL_một loại thực dược phẩm chức xơ tan), nếu trộn với 20ml nước để yên trong một giờ sẽ tạo một khối nhão (lớn hơn 20ml) “Xơ không tan” ít phân tán trong nước: cellulose, lignin, một số hemicellulose. Chất xơ trong rau có khả năng ngậm nước kém hơn xơ tan nhưng mạnh hơn xơ không tan. Dựa vào cấu trúc hoá học: Chủ yếu là các polysaccharide không phải tinh bột: cellulose, các hemicellulose, các pectin và các loại gums. Các polysaccharide khác nhau ở đường đơn (glucose, galactose, arabinose và các monomer của acid uronic); các mối nối hoá học giữa chúng với nhau. Cellulose: có trong vách tế bào của tất cả các loài thực vật Hemicellulose: gồm các nhóm polysaccharide khác nhau tuỳ mức độ phân nhánh, được phân loại theo đường đơn có trong dây chính (xylan, galactan, mannan) và trong các nhánh bên (arabinose, galactose) Pectin: dây chính chứa acid galactuonic, rhamnose, nhánh bên chứa galactose, arabinose. Gums: có cấu trúc khác nhau tuỳ theo nguồn gốc, thường là polysaccharide thứ yếu trong hầu hết các loại thức ăn Psyllium (lớp màng biểu bì và dưới biểu bì của hạt chín khô cây Plantago ovata, có cấu trúc chuỗi polymer lớn phân tử gồm nhiều nhóm bao gồm d-galactose, d-glucose, lignin, l-rhamnose, d-xylose, l-arabinose, d-mannose với những chuỗi bên uronic acid) Thành phần không phải polysaccharide là lignin chứa các hỗn hợp phenolic có cấu trúc phân tử không gian ba chiều rất phức tạp. Lignin có trong thành phần gỗ cứng, khó phân rã của hầu hết các loại thức ăn từ cây cỏ. Dù số lượng ít nhưng lignin lại ảnh hưởng lớn đến khả năng tiêu hoá. Thức ăn thực vật còn chứa lượng nhỏ (5 –10%) các chất không phải là carbohydrate khác, có khả năng tạo khối phân như các chất ức chế men tiêu hoá, các glycoprotein vách tế bào, các ester phenolic và các sản phẩm cho phản ứng Maillard. CHẤT XƠ KHÔNG HOÀ TAN: Cellulose: Cellulose có nhiều hơn tất cả các hợp chất hữu cơ khác của cơ thể sống vì nó là nguyên liệu chính của thành tế bào thực vật, giúp mô thực vật có độ bền cơ học và tính đàn hồi. Cellulose là chất được trùng hợp từ các đơn phân tử glucose, mạch thẳng được tạo bởi b-D- glucose bằng liên kết b-1,4 glucoside. LIÊN KẾT b-1,4- GLUCOSIDE VỊ TRÍ TÁCH NƯỚC CỦA LIÊN KẾT b Hình 1 – Liên kết b-1,4- glucoside Cellulose là chất rắn, trắng , không mùi vị, không tan trong nước ngay cả khi đem đun nóng, không tan trong các dung môi hữu cơ thông thường (rượu, ether, benzen). Trong tế bào thành cây xanh, các vi sợi cellulose sắp xếp dưới dạng các lớp xen phủ, như thể tạo nên một cấu trúc rất dai, và chắc. Đôi khi thành tế bào còn được củng cố bằng một nguyên liệu gọi là lignin, chất này chèn vào khoảng không giữa các vi sợi cellulose. Cellulose không có ý nghĩa về mặt dinh dưỡng của người vì trong cơ thể người không có enzim phân huỷ được cellulose. Động vật nhai lại có thể tiêu hoá dễ dàng cellulose vì trong dạ dày chúng có chứa các vi khuẩn có khả năng tiết ra enzym cellulase có tác dụng thuỷ phân cellulose. Cấu tạo: MÀNG PLASMA PHIẾN PECTIN MỎNG LỚP CƠ BẢN CỦA THÀNH TẾ BÀO Hình 2 –Thành tế bào thực vật Cellulose là polysaccharide chủ yếu của thành tế bào thực vật. Các đơn vị cấu tạo cellulose gắn với nhau nhờ liên kết glucoside. TẾ BÀO THỰC VẬT THÀNH TẾ BÀO Mỗi đơn vị cấu trúc nên cellulose là một anhydride d-glucose. Mỗi gốc glucose chứa ba nhóm – OH ở nguyên tử Carbon thứ hai, thứ ba và thứ sáu (trong đó nhóm – OH đính trên C6 là nhóm rượu bậc I, còn lại là nhóm rượu bậc II) Hình 3 –Trật tự của Fibril, Microfibril và Cellulose Gốc anhydride d-glucose có vòng 6 cạnh piranose (nhờ 5 nguyên tử C và nguyên tử O) liên kết 1-4 glucoside. Phân tử cellulose chứa từ 1.400 – 10.000 gốc glucose không xoắn mà duỗi thẳng. Phân tử lượng của các cellulose thu được từ các nguồn khác nhau xê dịch trong giới hạn khá rộng (từ 5.104 – 106 hoặc cao hơn) . POLYSACCHARIDE (KHÁC VỚI CELLULOSE) PHÂN TỬ CELLULOSE CÁC PHÂN TỬ CELLULOSE RIÊNG BIỆT MẠNG LƯỚI CHUỖI PHÂN TỬ CELLULOSE Hình 4 –Chuỗi phân tử Cellulose Dùng phương pháp phân tích tia Rontgen, người ta xác định được phân tử cellulose có dạng sợi. CHUỖI CELLULOSE CHUỖI POLYMER CỦA GLUCOSE ĐƠN VỊ GLUCOSE TẾ BÀO THỰC VẬT THÀNH TẾ BÀO THỰC VẬT CELLULOSE FIBRIL TRONG THÀNH TẾ BÀO THỰC VẬT (TEM) Hình 5 –Chuỗi phân tử Cellulose Các dạng sợi của cellulose lại gắn vào nhau nhờ các liên kết hydro tạo nên cấu trúc mixen của cellulose Hình 6 –Liên kết Hydro giữa các phân tử Cellulose tạo cấu trúc Micelle Tính chất hoá lý – Ứng dụng: a. Tính tan: Cellulose tan trong dung dich Cu(OH)2 + NH4OH đặc, tan trong H2SO4 đặc. b. Ảnh hưởng của nhóm hidroxyl: Trong phân tử cellulose có nhiều nhóm hydroxyl tồn tại dưới dạng tự do, hydro của chúng dễ được thay thế bởi một số gốc hoá học (như acetyl CH3CO –, methyl CH3 –) tạo nên các dẫn xuất ether hoặc ester của cellulose. Các dẫn xuất đó giúp nghiên cứu cấu trúc của cellulose, có ý nghĩa rất quan trọng trong công nghiệp. VD: các dẫn xuất nitro – cellulose, acetyl – cellulose trong kỹ nghệ sợi nhân tạo, da nhân tạo; CMC được dùng trong các phương pháp sắc ký trao đổi ion để phân chia hỗn hợp protein. Trong CMC số nhóm hidroxyl của cellulose được thay thế bằng gốc – OCH2COOH, và có tính tan. Khả năng phản ứng của cellulose dựa vào: Khả năng của nhóm – OH (mỗi đơn vị mắc xích có 03 nhóm hydroxyl) à các nhóm hidroxyl thể hiện khác nhau trong từng phản ứng hoá học. Sự phá vỡ liên kết hidro giữa các mạch phân tử à nhóm hidroxyl sẵn sàng tham gia phản ứng (nguyên liệu xơ cellulose cần được gây trương bằng cách pha lỏng hoặc pha hơi). Được tăng cường theo con đường hoá học (đưa nhóm hydroxyethyl) vào cellulose. Phản ứng quan trọng do ảnh hưởng nhóm –OH là phản ứng tác dụng với kim loại kiềm: 2[C6H9O2(OH)3]n + 6nNa à 2[C6H7O2(ONa)3] + 3nH2 c. Phân huỷ mạch cellulose: Cellulose à oligome hoặc monome (hay những sản phẩm phức tạp hơn) Nguyên nhân: các đơn vị mắc xích nối với nhau bằng liên kết glycoside là một liên kết không bền về phương diện hoá học. Chúng rất kém bền trong môi trường acid. Sự phân huỷ này do: Phản ứng thuỷ phân Phản ứng nhiệt phân Tác động cơ học hoặc oxy hoá à Ứng dụng: quá trình thuỷ phân cellulose (lấy gỗ), quá trình ủ chín alcalicellulose trong sản xuất sợi viscose và màng cellophan … a. Thuỷ phân cellulose: (C6H10O5)n + nH2O à n C6H12O6 Phản ứng trên có xúc tác là ion H+ (dung dịch HCl). Khi nung sôi với acid H2SO4 đặc sẽ cho sản phẩm là glucose. Điều kiện nhẹ nhàng cho sản phẩm disaccharide cellobiose. Trong công nghiệp, ứng dụng phản ứng thuỷ phân tạo sản phẩm gỗ. à ứng dụng: cellulose tinh thể à nghiền thành bột à sử dụng trong y học hay thực phẩm … … … b. Nhiệt phân cellulose (depolimer giảm độ trùng hợp) Cellulose bắt đầu phân huỷ ở nhiệt độ 180OC, nhưng những dấu hiệu đầu tiên của sự biến đổi diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn (ứng dụng trong công nghệ sấy các vật liệu cellulose) c. Phân huỷ mạch do oxy hoá: Quá trình này nhằm phá vỡ cấu trúc vòng pyranose, hay cắt đứt mạch cellulose. Nguyên nhân: vì cellulose còn có các gốc hydroxyl tự do, đóng vai trò như những rượu bậc một và hai, nên dễ dàng bị oxy hoá tạo các nhóm chức aldehite hay ceton (ứng dụng trong ủ chín sơ bộ alcalicellulose trong công nghiệp sợi viscose) Tạo nhánh trên phân tử cellulose (trùng ngưng hay mở vòng) Phân tử mạch thẳng à phân tử mạch nhánh (copolimer ghép) e. Tạo mạng liên kết giữa các phân tử cellulose: (tách nước trong môi trường H+) Cellulose – OH + HCHO + HO – cellulose à cellulose – OCH2O –cellulose Phản ứng tạo liên kết ether, dùng trong công nghệ vải cellulose (cải thiện ổn định kích thước, độ chống chịu đối với giặt giũ, nâng cao chất lượng in hoa) f. Tính năng vật lý: Chất cellulose có ý nghĩa dinh dưỡng quan trọng. Cellulose có dạng thô và mịn, loại càng mịn thì khả năng phân giải và đồng hoá càng cao. Dựa trên tính năng đó, cellulose có tính kích thích nhu động ruột, điều hoà bài tiết, tạo điều kiện bài xuất cholesterol, và có vai trò quan trọng trong điều hoà hệ vi khuẩn có ích ở ruột và tạo điều kiện tốt nhất cho vai trò tổng hợp của chúng. Các chất xơ không tan khác: Hemicellulose: Hemicellulose là thành phần của tế bào thực vật và tồn tại chủ yếu ở các phần như vỏ hạt, bẽ ngô, cám, rơm, rạ, trấu …. Hình 7 –Cấu trúc của Hemicellulose HEMICELLULOSE LÀ MỘT POLYMER PHÂN NHÁNH Hemicellulose là nhóm polysaccharide không tan trong nước, tan trong dung môi kiềm. Hemicellulose được cấu tạo từ nhiều loại đường khác nhau (pentose, hexose). Ngoài liên kết b-1-4 glucoside, hemicellulose còn có liên kết b-1-3 và b-1-6 glucoside tạo nên phân tử có mạch nhánh. Chỉ số polyme hoá (DP) của hemicellulose thấp, nên hemicellulose có cấu trúc không bền. Có tính chất như cellulose, nhưng dễ tham gia phản ứng hơn, tan trong kiềm và trong nước nóng, bị thuỷ phân bởi acid loãng. Khi thuỷ phân hemicellulose sẽ thu được các monosaccharide ( các hexose như manose, galactose; các pentose như arabinose, xylose) Hình 8 –Phân tử Hemicellulose Lignin: Lignin hình thành từ các dẫn xuất của phenyl propane. Về cấu tạo, lignin là sản phẩm ngưng tụ của ba thành phần chủ yếu là rượu trans-p-cumaryl, trans-conyphenyl, trans-eynayl. Tỉ lệ này khác nhau tuỳ loại thực vật. Trong công thức cấu tạo của lignin có liên kết phenyl –cumaryl, liên kết giữa các monome kiểu aryl –glyxirol-b-aryl-ether. Hình 9 –Phân tử Lignin Lignin là chất tương đối hoạt động về mặt hoá học do có các nhóm –OH đính với vòng thơm à tham gia các phản ứng thế (nitro hoá, clo hoá, …), ester hoá, oxy hoá. Lignin hoà tan tốt trong kiềm nóng à tách lignin từ ligno –cellulose. CHẤT XƠ HOÀ TAN: Pectin: Tồn tại ở hai dạng: Protoprectin không tan: chủ yếu ở thành tế bào, kết hợp với polysaccharide araban. Hình 10 –Phân tử Pectin Pectin hoà tan: chủ yếu ở dịch bào. Pectin hoà tan là polysaccharide cấu tạo bởi các gốc acid galaturonic, trong đó một số gốc acid có chứa nhóm thế methoxy CH3O –. Dạng không tan có thể chuyển hoá thành pectin hoà tan trong môi trường acid, ở nhiệt độ sôi, hay khi có mặt enzim protopectinase. Pectin có khả năng tạo gel khi có mặt của acid và đường à sản xuất mứt kẹo. Để tạo gel pectin có thể cho đường saccharose đến mức bão hoà (65 –70%), tạo môi trường pH khoảng 3.1 –3.5 bằng acid hữu cơ như acid citric, trong khi lượng pectin chỉ khoảng 0.5 –1%. Pectin từ các nguồn khác nhau có mức độ tạo gel khác nhau, và có số nhóm methoxy khác nhau. Chỉ số methoxy là % khối lượng methoxy trên khối lượng phân tử. Khi bị methyl hoá hoàn toàn, chỉ số methoxy đạt đến tối đa là 16.3%. Pectin hoà tan dưới tác dụng của kiềm loãng hay của enzim pectase sẽ giải phóng nhóm methoxy thành rượu methylic và acid pectic (acid polygalacturonic). Acid pectic tạo muối Calci –pectat bị kết tủa. Đây là phương pháp định lượng pectin. Acid polygalacturonic mất khả năng tạo gel à bảo quản pectin tránh môi trường kiềm loãng và tác nhân của enzim pectase. Cơ chế tạo gel: do liên kết Hydro. Khi pH giảm làm các điện tích –COO- bị trung hoà, các sợi pectin đến gần nhau, tạo liên kết Hydro. Carboxylmethyl cellulose: Bản chất của CMC không phải là một chất xơ, đây là một dẫn xuất của cellulose, có khả năng hoà tan thực sự về mặt hoá học. Phản ứng tạo CMC: Rcell(OH)3 + ClCH2COONa + NaOH à Rcell(OH)2OCH2COONa + NaCl +H2O Na-CELLLULOSE CELLULOSE Hình 11 –Điều chế CMC từ Cellulose Cấu tạo CMC (trên một gốc glucose) Hình 12 –Phân tử CMC Tính chất vật lý: Hoà tan trong nước à tính chất quyết định các tính chất hoá học cũng như ứng dụng của CMC. Tính chất này có được do trong công thức cấu tạo của CMC có các nhóm –COOH có khả năng tạo thành liên kết Hydro với nước. Ngoài ra, CMC còn có khả năng tan trong một số dung môi khác. Hoá nâu ở nhiệt độ 180 – 220oC Hoá than ở nhiệt độ 210 – 250oC Hấp phụ độ ẩm cao Khối lượng riêng dạng xốp 0.4 – 0.8g/ml Tính chất hoá lý: Độ thay thế (DS=degree substitution): là số nhóm –OH được thay thế (trung bình) bởi – OCH2COOH trên một đơn vị glucose. Một đơn vị glucose của cellulose có 3 nhóm –OH, nên DS cao nhất là 3. Khi cellulose phản ứng với kiềm, không phải tất cả các nhóm –OH đều bị thay thế bởi –CH2 –COONa, thường khoảng 0.4 gốc bị thay thế. Khả năng hoà tan của CMC phụ thuộc rất lớn vào DS: DS >1.2: tan trong dung môi hữu cơ DS từ 0.4 – 1.2: tan trong nước DS <0.4: tan trong kiềm Chỉ số DS thường dùng từ 0.4 –1.2. Khả năng kết tủa cũng tuỳ thuộc vào DS: DS =0.1 –0.2 kết tủa ở pH <6 DS =0.3 –0.5 kết tủa ở pH <3 DS =0.7 –0.9 kết tủa ở pH <1 Độ tụ hợp (DS=degree polimezation): biểu thị độ dài của mạch cellulose. Độ tụ hợp cao: dung dịch 1% 2.000cp Độ tụ hợp vừa: dung dịch 2% 300-600cp Độ tụ hợp thấp: dung dịch 2% 25-50cp Tính acid: CMC là một acid yếu, tính acid do có các nhóm –COOH (Ka=3.10-5). Ứng dụng của CMC trong đời sống: CMC được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp như: sản xuất chất tẩy rửa, trong công nghệ thực phẩm, công nghiệp dệt, làm vec –ni cho giấy, dược phẩm, và trong bùn khoan. Về lĩnh vực thực phẩm, CMC được sử dụng do có các tính chất: Không màu, không mùi, không vị, không độc hại. Hoà tan trong nước. Là chất tạo nhũ, chất ổn định và tạo bọt tốt. Giữ độ ẩm tốt. Có thể dùng thay thế một số keo thiên nhiên, dùng để hoạt hoá công thức pha chế. Trong những thực phẩm dehydrate cường độ phân tán của CMC tăng à sử dụng làm tăng khả năng bổ dưỡng của thực phẩm. Thường sử dụng muối Na của CMC (sodium carboxymethyl cellulose) vì đây mới là sản phẩm sinh ra trong phản ứng điều chế CMC. Natri carboxymethyl cellulose có tính tan tốt và có các tính chất như CMC. Hình 13 –Sodium Carboxymethyl Cellulose Các thực phẩm công nghiệp có Na –CMC : mì ăn liền, kem, nước ép trái cây, thức ăn đóng hộp, mứt, bánh chiên … với chức năng là chất ổn định. Bảng 1: Thành phần sản xuất Kem (Ice Cream) Thành phần Lượng(g) Sữa (Milk) 70.5 Đường mía (Sucrose) 15.0 Sữa không béo (Defatted Milk) 7.7 Kem 40% (40% Cream) 6.3 Chất ổn định (Stabilizer) CMC 0.5 Tổng cộng (Total) 100 GIÁ TRỊ DINH DƯỠNG VÀ GIÁ TRỊ TIÊU HOÁ CỦA CHẤT XƠ: Trong thức ăn ngoài các thành phần dinh dưỡng như carbohydrate, lipid, protein, vitamin và các chất vô cơ còn có thành phần chất xơ với một lượng nhất định (chủ yếu là cellulose, hemicellulose, lignin, pectin, …) Thành phần chất xơ: trong các thức ăn khác nhau, tuỳ loại thực vật mà thành phần chất xơ do thực phẩm đó cung cấp cho cơ thể là khác nhau. Cơ thể người không sản xuất các enzim cellulase phân giải cellulose cũng như các chất xơ nói chung, nhưng một số vi khuẩn đường ruột có thể phân giải và đồng hoá, do đó mức độ nhất định các chất này có giá trị về dinh dưỡng. Một đặc tính vật lý của chất xơ tiêu hoá là khả năng giữ nước, tạo chất nhớt (viscosity): Tạo điều kiện dễ dàng cho sự