Hóa học thực phẩm-Chất xơ hòa tan

KHÁI NIỆM CHUNG: 1/Định nghĩa chất xơ: Theo phương diện 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) Theo phương diện 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 …) 2/Phân loại: ˜ Dựa vào khả năng phân tán trong nước (ngậm nước, giữ nước) gồm 02 loại: - “Chất 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) -“Chất 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. II/CHẤT XƠ HỊA TAN: 1/Pectin: a. Nguồn gốc và cấu tạo Pectin là một polysaccharide tồn tại phổ biến trong thực vật, là thành phần tham gia xây dựng cấu trúc tế bào thực vật. Ở thực vật pectin tồn tại chủ yếu ở 2 dạng là pectin hịa tan và protopectin khơng hịa tan. Dưới tác dụng của acid, enzyme protopectinaza hoặc khi gia nhiệt thì protopectin chuyển thành pectin. Pectin là hợp chất cao phân tử polygalactoronic cĩ đơn phân tử là galactoronic và rượu metylic. Trọng lượng phân tử từ 20.000 - 200.000 đvC. Hàm lượng pectin 1% trong dung dịch cĩ độ nhớt cao, nếu bổ sung 60 % đường và điều chỉnh pH mơi trường từ 3,1-3,4 sản phẩm sẽ tạo đơng. Cấu tạo phân tử pectin là một dẫn suất của acid pectic, acid pectic là một polymer của acid D-galacturonic liên kết với nhau bằng liên kết 1-4-glycozide. Hợp chất pectin được đặc trưng bởi 2 chỉ số quan trọng là chỉ số methoxyl “MI” biểu hiện cho phần trăm khối lượng nhĩm methoxyl –OCH3 cĩ trong phân tử pectin và chỉ số este hĩa “DE” thể hiện mức độ este hĩa của các phân tử acid galactoronic trong phân tử pectin. Dựa trên mức độ methoxy hĩa và este hĩa, trong thương mại chia pectin thành 2 loại: pectin cĩ độ methoxyl hĩa cao và pectin cĩ độ methoxyl hĩa thấp. - Pectin methoxyl hĩa cao (High Methoxyl Pectin – HMP): DE >50 % hay MI > 7%. Chất này cĩ thể làm tăng độ nhớt cho sản phẩm. Muốn tạo đơng cần phải cĩ điều kiện pH = 3,1 – 3,4 và nồng độ đường trên 60 %. - Pectin methoxyl hĩa thấp (Low Methoxyl Pectin – LMP): DE < 50 % hay MI < 7%. Được sản xuất bằng cách giảm nhĩm methoxyl trong phân tử pectin. Pectin methoxy thấp cĩ thể tạo đơng trong mơi trường khơng cĩ đường. Chúng thường được dùng làm màng bao bọc các sản phẩm. Trong quá trình bảo quản cĩ thể bị tách nước hoặc lão hĩa. Quá trình tạo đơng phụ thuộc vào nhiều yếu tố: nguồn pectin, mức độ methoxy hĩa càng cao thì khả năng tạo đơng càng cao. Khi sử dụng cần phải hịa tan pectin vào nước, khi pectin hút đủ nước thì mới sử dụng ở cơng đoạn cuối chế biến. Các pectin đều là những chất keo háo nước nên cĩ khả năng hydrat hĩa cao nhờ sự gắn các phân tử nước vào nhĩm hydroxyl của chuỗi polymethyl galacturonic. Ngồi ra, trong phân tử pectin cĩ mang điện tích âm nên chúng cĩ khả năng đẩy lẫn nhau cĩ khả năng làm giãn mạch và làm tăng độ nhớt của dung dịch. Khi làm giảm độ tích điện và hydrat hĩa sẽ làm cho sợi pectin xích lại gần nhau và tương tác với nhau tạo nên một mạng lưới ba chiều rắn chứa pha lỏng ở bên trong. b.Ứng dụng Các chất pectin giữ vai trò quan trọng trong quá trình chín của quả . Khi quả đang phát triển protopectin phân tán ở thành tế bào và chiếm tỉ lệ khá cao , tới lúc quả bắt đầu chín protopectin biến dần sang dạng pectin hòa tan dưới tác dụng của acid hữư cơ và enzyme protopectinase trong quả. Trong khi bảo quản cũng nhận thấy sự giảm dần protopectin và tăng dần pectin hòa tan Pectin là chất tạo gel quan trọng nhất được sử dụng để tạo ra cấu trúc gel cho thực phẩm. Khả năng tạo gel của nĩ được sử dụng trong những thực phẩm cần cĩ sự ổn định của nhiều pha. Tác dụng tạo gel của pectin được sử dụng chủ yếu trong các sản phẩm mứt trái cây và mứt đơng. Tác dụng của pectin là tạo ra cấu trúc mứt đơng và mứt trái cây khơng bị thay đổi trong quá trình vận chuyển, tạo ra mùi vị thơm ngon cho sản phẩm và giảm sự phá vở cấu trúc. Trong một số trường hợp, pectin cịn được sử dụng với carageenan để tăng hiệu quả tạo gel. 2/Carboxylmethyl cellulose(CMC) CMC 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 a.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 b.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). c.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. III/VAI TRỊ CỦA CHẤT XƠ HỊA TAN ĐỐI VỚI SỨC KHỎE CON NGƯỜI: 1/GIÁ TRỊ DINH DƯỠNG VÀ TIÊU HĨA 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. Chức năng dinh dưỡng của chất xơ + Với ruột già: Chất xơ cĩ tác dụng chống táo bĩn nhờ khả năng giữ nước làm phân mềm và tăng khối lượng phân làm kích thích nhu động ruột. Ngồi ra, chất xơ ở ruột già cĩ tác dụng tăng khả năng lên men của vi khuẩn ruột già với các polysaccharides, sinh ra các acid chuỗi ngắn là nguồn năng lượng cho tế bào niêm mạc già + Với cholesterol máu: Chất xơ cĩ tác dụng làm giảm cholesterol máu do làm giảm hấp thu cholesterol vào máu nhờ tác dụng gắn với acid mật trong ruột làm giảm nhũ tương hĩa chất béo của thức ăn. Đồng thời chất xơ làm tăng thải acid mật nên lại kích thích tạo acid mật từ cholesterol, do đĩ giảm cholesterol trong cơ thể (acid mật được tạo từ cholesterol).  + Với đường máu: Chất xơ làm giảm đáp ứng đường máu sau khi ăn nhờ tính nhầy và thể tích phân tử lớn. Chất xơ bao quanh thức ăn ở ruột làm men tiêu hĩa khĩ tiếp xúc với thức ăn, và thức ăn khơng được tiêu hĩa khĩ được hấp thu. Đồng thời chất xơ lưu lại trong dạ dày lâu tạo cảm giác no làm cho ăn ít đi.  + Với sự điều chỉnh cân nặng: Chất xơ cĩ tác dụng giảm cân nhờ những tính chất trên: giảm hấp thu chất béo, tạo cảm giác no lâu giúp ta ít thèm ăn và ức chế men tiêu hĩa giảm tốc độ tiêu hĩa thức ăn.  2/VAI TRỊ CỦA CHẤT XƠ HỊA TAN: 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 lên men trong quá trình tiêu hoá ở dạ dày, ruột ức chế khả năng tiêu hoá của enzim tuyến tuỵ tiêu hoá glucid, lipid, protein; quét và đưa nhanh xuống ruột già toàn bộ các chất độc hại và thực phẩm bị biến chất được cơ thể hấp thu. Tăng khả năng liên kết với acid mật và trao đổ cation trong hệ thống tiêu hoá ruột, dạ dày. Tác động làm giảm thành phần cholesterol trong huyết tương, điều hoà sự đáp ứng glucose huyết và kích thích tăng cường khả năng hoạt động ruột già. Chất xơ hịa tan cịn cĩ tác dụng giúp giảm nguy cơ xơ vữa động mạch nhờ sự chuyển hĩa chất béo, chất đạm béo và đường đơn. Qua nghiên cứu thực nghiệm cho thấy, việc bổ sung 2 - 10g chất xơ hịa tan mỗi ngày sẽ gĩp phần giảm 2% cholesterol tồn phần và cholesterol xấu (LDL). Dựa trên 40 thử nghiệm lâm sàng, Cơ quan Quản lý Dược phẩm và Thực phẩm của Mỹ (FDA) khuyến cáo: Sử dụng cám hạt ngũ cốc là một phần của chế độ ăn giúp giảm nguy cơ mắc bệnh mạch vành. Chất xơ cũng làm gia tăng sự nhạy cảm của insulin, giảm Triglyceride và gĩp phần kiểm sốt trọng lượng cơ thể. Những thực phẩm cĩ nhiều chất xơ giúp làm chậm sự tăng đường trong máu (hay gọi là đường huyết) sau khi ăn. Điều này được ứng dụng trong việc lựa chọn thực phẩm cho bệnh nhân tiểu đường dạng 2 hoặc người bị tăng đường huyết, giúp ổn định lượng đường trong máu, dự phịng được các biến chứng của bệnh. Khi kết hợp với nước, chất xơ hút nước và to ra làm cho phân mềm và khối phân to ra hơn trước. Khi đĩ, thành ruột càng bị kích thích mạnh, làm tăng nhu động ruột, giúp cho việc bài tiết phân được dễ dàng, giảm nguy cơ ung thư đại trực tràng. Ngồi ra, chất xơ cịn cĩ tác dụng làm tăng khả năng miễn dịch của hệ thống tiêu hĩa nhờ phát triển hệ vi khuẩn cĩ ích trong đường ruột, giảm nguy cơ nhiễm trùng đường tiêu hĩa, nhất là giảm chứng tiêu chảy ở trẻ em. Rau cải và trái cây là nguồn cung cấp chất xơ quan trọng. Lượng chất xơ trong rau cải khoảng từ 0,3 - 3,5% tùy loại. Thực phẩm này đặc biệt cần thiết cho người cao tuổi. Trong rau, chất cellulose liên kết với chất pectin tạo thành một phức hợp pectin - cellulose, kích thích mạnh nhu động ruột và tiết dịch ruột. Khuyến cáo chung của các chuyên gia về dinh dưỡng là nên ăn 20 - 35g chất xơ/ngày và tiêu thụ tối thiểu 300g rau/ngày + 100g trái cây tươi chín. 3/MỘT SỐ TÁC HẠI CỦA CHẤT XƠ HỊA TAN: Các chất xơ từ ngũ cốc, trái cây có khả năng gắn với calcium, sắt, kẽm, đồng, magnesium và selenium làm giảm hấp thu và tăng thải khoáng ra phân. Việc kích thích đại tràng sẽ làm cho các nguyên tố vi lượng trên chưa được hấp thu đã bị thải ra ngoài à Bệnh thiếu khoáng. Chất xơ thực phẩm có tính nhớt có khả năng kết hợp, làm giảm hấp thụ nhiều loại thuốc như acetaminophen, digoxin, các glycoside trợ tim, salicylate, nitrofurantoin, các dẫn xuất của coumarin. Vì vậy nên uống thuốc khoảng một giờ trước bữa ăn có chất xơ. Tài liệu tham khảo: 1/Trang tài liệu khoa học-công nghệ trường Cao Đẵng cộng đồng Kiên Giang 2/Bách khoa toàn thư Việt Nam 3/Diễn đàn HUIS community- trường Công nghiệp TPHCM 4/Trang VN MEDIA.vn 5/ Nguyễn Đức Lương, Cao Cường. Thí nghiệm công nghệ sinh học (tập 1), Thí nghiệm hóa sinh học, NXB Đại học Bách Khoa TPHCM. 6/ Lê Văn Chứ, Lê Doãn Diên, Bùi Đức Lợi, Nguyễn Thị Thịnh, Đặng Thị Thu, Lê Ngọc Tú. Hóa sinh công nghiệp, NXB Khoa học và kĩ thuật Hà Nội 7/ Lê Ngọc Tú, Hoá Học Thực Phẩm, , NXB Khoa Học Kỹ Thuật 8/ Bộ Y Tế Việt Nam Vai trò của chất xơ trong cuộc sống (Báo sức khoẻ và đời sống). 9/ Hồ Sĩ Tráng, Cơ Sở Hoá Học Gỗ và Cellulose, tập 1, Đại Học Bách Khoa Hà Nội, NXB Khoa Học Kỹ Thuật 10/GS.TS Nguyễn Hữu Chấn, Những vấn đề hoá sinh hiện đại, NXB khoa học & kỹ thuật, 1999 11/hoá sinh cơ bản – phần 1: của Đồng Thị Thanh Thu – Trường ĐHKHTN TPHCM