Đặc tính tạo gel của polysaccarit trong sản xuất thực phẩm

1. Các tính chất tạo gel của các polysaccarit
      Poly saccarit khi có mặt trong thực phẩm đều thể hiện một số tính chất có lợi dựa trên cấu trúc phân tử, kích thước và lực liên kết phân tử chủ yếu là liên kết hydro. Rất nhiều các polysaccarit không tan trong nước và không tiêu hoá được, chủ yếu là cellulose và hemicellulose. Những polysaccarit còn lại thì có khă năng tan và phân tán đều trong nước. Chúng đóng vai trò tạo nhớt, tạo đặc, tạo độ kết dính và tạo gel.
Polysaccarit là các glycosyl. Mỗi gốc glycosyl có một số điểm có khả năng tạo liên kết với hydro. Do có khả năng tạo liên kết với nước này mà nó hoàn toàn có khả năng solvat hoá vì vậy nó có khă năng tan trong nước. Một số polysaccarit không có khả năng hoặc ít tan trong nước là do nó có cấu trúc mạch thẳng.
Các tính chất của các polysaccarit này thay đổi theo bản chất đến  mức chúng không thể thay thế cho nhau được. Tính chất này là do tính chất hoá học của chúng trong cơ chế tạo gel. Một số polysaccarit không có khả năng tạo gel nhưng nếu trộn chúng với các polysacarit khác chúng có khả năng tạo gel rất lý thú.
Sự tạo gel có thể coi như sự liên hợp giữa các cao phân tử hoặc các mảnh để tạo ra mạng lưới không gian 3 chiều liên tục để giữ được pha lỏng giữa các mắt lưới và khả năng bền với các tác dụng vật lý.
Để tạo gel có thể có các giai đoạn sau:
      - Trạng thái sol: các polymer tạo thành dung dịch cao phân tử chưa liên kết với nhau
      - Trạng thái gel: Xuất hiện các chuỗi liên kết đủ để tạo ra một mạng lưới có tính đàn hồi.
      - Các chuỗi tự tổ chức lại, gel dần dần cứng hơn và xảy ra hiện tượng co gel tách dịch.
Nếu polymer có cấu trúc đồng đều, vùng nối sẽ dài và gel thu được sẽ cứng và giòn. Ngược lại nếu có một số thành tố xen vào thì gel sẽ đàn hồi  hơn.
      Các polysaccarit tạo gel được sẽ tạo gel trong những điều kiện khác nhau. Như alginat và pectin có tỷ lệ methoxyl thấp sẽ tạo gel khi có mặt của ion hai hoá trị trong khi đó pectin tạo gel trong môi trường axit.
Khả năng tạo gel phụ thuộc vào những yếu tố:
      - Lực liên kết giữa các phân tử: nếu chiều dài của vùng liên kết dài, lực liên kết giữa các chuỗi đủ lớn để chống lại áp lực và chống lại chuyển động nhiệt của các phân tử gel tạo thành sẽ chắc bền hơn.
      - Cấu trúc các phân tử: Những phân tử có nhánh không liên kết với nhau chặt chẽ, vì vậy không tạo những vùng liên kết có kích thước và sức mạnh đủ lớn để tạo gel. Chúng chỉ tạo cho dung dịch có độ nhớt và độ ổn định.
      - Điện tích phân tử: Các polysaccarit có điện tích và lực đẩy tĩnh điện giữa các nhóm tích điện cùng dấu sẽ ngăn cản sự tạo thành liên kết.
Ngoài ra còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như: nhiệt độ, pH và sự có mặt của các yếu tố trong dung dịch.
2. Sự tạo gel của một số thành phần polysacacrit
2.1. Sự tạo gel của caraghenan
      Caraghenan là những polysaccarit sunfat được chiết ra từ tảo đỏ. Nó có khả năng hoà tan trong nước nóng và một số dung môi hữu cơ. Mạch polysaccarit của caraghenan thường có cấu trúc xoắn ốc. Mỗi vòng có chứa 3gốc disaccarit tạo nên.
        Trong lambda caraghenan các chuỗi cao phân tử ở dạng cách xa nhau nên chúng không có khả năng kết hợp lại tạo thành gel.
      Theo Rees xoắn ốc của caraghenat là xoắn ốc phải. Các xoắn ốc kép được tạo ra này sẽ làm bền các liên kết hydro giữa các chuỗi. Sự hydrát hoá hoàn toàn khi ở 55⁰C. Khi làm lạnh các phân tử sẽ gần lại nhau và tạo ra các vùng nối. Sự tạo gel là do hình thành các xoắn ốc kép bền. Cơ chế này do tính thuận nghịch với nhiệt và sự nóng chẩy của gel là do một sự dịch chuyển hình thể.
      Cấu tạo của một mạng lưới 3 chiều, điều kiện cần thiết cho sự hình thành một gel có tính liên kết là do sự có mặt của galactose-6sunfat và galactose2-6disunfat mà khi thay thế bằng các alhydrogalactose sẽ làm ngắt quãng độ đều đặn không gian của chuỗi tức là sẽ tạo ra các khuỷu. Các hình tiết này do đó sẽ làm giới hạn chiều dài của các chuỗi xoắn kép buộc các chuỗi phải tự liên kết thành các xoắn ốc kép với nhiều chuỗi bên cạnh. Hơn nữa, sự kết hợp các chuỗi xoắn ốc kép với nhau bị giới hạn là do các lực đẩy tính điện giữa các nhóm sunfat nằm ở phía ngoài của chuỗi.
      Kappa caraghenan cũng có chuỗi xoắn ốc kép tương tự như iota-caraghenan. Với caraghenan này thì K⁺ có tác động đặc biệt. Do kích thước nhỏ khi ở trạng thái hidrat nó có thể đi vào trong xoắn ốc và trung hoà một phần nhóm sunfat do đó xoắn ốc có thể xếp gần nhau tạo ra các liên hợp kết quả gel cứng, nước và gel đục. Các ion canxi và kali khá lớn không đi vào trong mà kết hợp với nhóm sunfat tạo ra sự liên kết giữa các cao phân tử. Do đó nếu dùng một lượng nhỏ ion này làm tăng độ bền chặt nhưng nếu dùng lượng quá lớn kết quả ngược lại.
2.2. Sự tạo gel của alginat và của pectin
      Alginat là một copolymer tuyến tính của axit αD-manuronic và axit αL-guluronic. Hai axit này đều là những epimer của các bon 5. Chúng phân bố một cách ngẫu nhiên trong các cao phân tử mà phẩn bố thành từng đoạn thẳng chứa khoảng 20 đơn vị. Tập hợp những đoạn này tuỳ theo loài, bộ phận của tảo, độ tuổi và địa điểm thu hái. Sự phân bố của các monomer sẽ quyết định tính chất tạo gel của alginat. Hình thể của các trình tự polyguluronic như thế nào để chúng có thể tạo nên một dãy liên tiếp các hố điện âm có kích thước và hình học cho phép gắn được ion canxi trái với các trình tự polymanuronic. Canxi sẽ tự gắn vào axit guluronic nhờ trung giancủa chức axit, oxy của liên kết glucosit, của vòng pyranose và của 2  nhóm hydroxyl. Tuy nhiên, điều này chỉ xảy ra khi ciều dài của phân tử polyguluronic vượt quá 20-30gốc . Sự chồng ghép đều đặn của 2 chuỗi sẽ tạo khả năng liên kết canxi rất chặt theo kiểu giữ trứng trong ổ trứng. Vậy là hiện tượng đầu tiên của sự tạo gel là sự dimer hoá của phân tử alginat nhờ các trình tự của polyguluronic của mình. Sự liên hợp các dimer sau đó được tiến hành nhờ các ion canxi nhưng hạn chế. Các trình tự polyguluronic hoặc các trình tự hỗn hợp lại làm đứt đoạn các vùng đã có tổ chức này. Do đó, mỗi chuỗi sẽ tham gia vào các vùng nối với nhiều chuỗi khác. Vậy là các đặc tính của gel sẽ phụ thuộc rất chặt chẽ vào tỷ lệ giữa các trình tự đã xác định trước.
      Đối với pectin được cấu tạo từ axit D-galacturonic có hình thể ⁴C₁ liên kết với nhau bằng liên kết α(1-4). Các thành phần khác như 6-dioxy Lmanose, 6-dioxy Lgalactose được nối vào bằng liên kết α(1-2) sẽ làm lệch trục của mạch thẳng đi một góc 90⁰.
      Chức axit có thể bị metyl hoá bởi methanol. Mức độ methy hoá có thể thay đổi và quyết định tính chất công nghệ của pectin. Các pectin được chiết ra trong môi trường axit thì các axit galacturonic phần lớn ở dạng este metylic. Các pectin thường được đặc trưng bằng mức độ este hoá của chúng tức là bằng số phần trăm axit galacturonic có mặt ở dưới dạng este metylic.
      Sự có mặt của các chhuỗi bên và cả nhóm methõy ở cacbon số 6 của axit galacturonic sẽ làm các chuỗi tách xa nhau nên dễ dàng tạo sự hydrat hoá các pectin. Do vậy, độ metyl hoá càng cao thì pectin càng hoà tan tốt ở nhiệt độ lạnh. Vì lẽ đó các pectin có độ metyl hoá thấp có thể được trung hoà một phần nhằm cải thiện độ hoà tan ở nhiệt độ lạnh với điều kiện độ cứng của nước phải cao (10độ).
      Tóm lại, pectin là những polysacarit axit tính, có thể được chiết ra bằng nước, các tác nhân tạo phức của canxi, các axits loãng và có khả năng tạo gel. Do khả năng này và tính chất đa điện ly của mình, các glycan này có một vai trò quan trọng là chìa khoá trong các cơ chế tác dụng của các sợi thực phẩm.
      Cấu trúc của pectin có độ metyl hoá thấp rất giống với cấu trúc của các trình tự polyguluronic. Mô hình tạo gel cũng là mô hình hộp trứng với mỗi vùng nối phải gồm khoảng 20gốc galacturonic.
Tuỳ điều kiện thao tác người ta có thể thu được hoặc các gel thuận nghịch nhiệt hoặc là các gel không thuận nghịch bởi nhiệt.
      Các pectin có độ metyl hoá cao không tạo gel khi có mặt ion Ca⁺² mà tạo gel khi môi trường axit (pH=2,2-3,5) và khi có mặt đường (60%).
      Các phân tử pectin trong dung dịch thường bị hydrat hoá mạnh và thường tích điện âm do sự phân ly của nhóm –COOH. Để các phân tử pectin có thể gần nhau tạo được gel thì phải giảm sự hydrat hoá và giảm lực đẩy giữa các nhóm ion đi càng nhiều càng tốt. Thường để giảm hydrat hoá người ta thường thêm đường saccarose vốn có khả năng giữ nước rất mạnh nên sẽ phá huỷ vỏ nước của pectin. Còn để giảm điện tích thì thực hiện bằng cách giảm sự phân ly của các chức axit thông qua việc hạ thấp pH. Lúc đó các tương tác polymer-polymer sẽ thuận lợi hơn các tương tác polymer – dung môi. Sự kết hợp các phân tử pectin được tiến hành nhờ các liên kết hydro giữa các chuỗi.
2.3. Sự tạo gel tinh bột
Tinh bột cấu tạo từ 2 thành phần amynose (AM) và amynopectin (AP). Sự tạo gel của tinh bột dựa vào cách hoạt động của 2 thành phần này có trong dung dịch. Trong khi các chất tạo gel khác luôn hoà tan rất tốt thì AM và AP trong dung dịch lại không bền ở nhiệt độ dưới 60-65⁰C. Các dung dịch của chúng thường phân thành 2 pha:
- Một pha thường tụ phân các polymer đã bị trương lên bởi dung môi.
- Một pha hợp thành bởi dung môi nghèo polymer
      Hiện tượng tự phân tách này là cơ sở cho sự tạo gel cho các hợp phần của tinh bột.
Sự tạo gel của amynose
      - Sự phân tách pha: Hiện tượng này xảy ra nhanh (10phút cho dung dịch 20%chất khô) có thể nhận thấy màu trắng đục của môi trường và sự xuất hiện độ nhớt đàn hồi khác với chất lỏng nhớt. Nồng độ giới hạn 1,5%, ngoài nồng độ này sự tách pha sẽ dần đến kết tủa.
      - Sự kết tinh của AM trong lòng pha giàu polymer. Hiện tượng này thể hiện qua sự tăng chậm trạng thái tinh thể của gel và sự thu nhiệt do nóng chảy của các tinh thể này khi vào khoảng 160⁰C. Các vùng nối giữa các cao phân tử được hình thành nhờ các vùng kết tinh. Ở đây các đoạn mạch có hình xoắn ốc được chồng đống lên nhau. Phần tinh thể của các gel này được tạo ra từ các polyholosid tuyến tính có mức độ trùng hợp hoá trung bình từ 45-50.
      - Sự co gel tách dịch, hiện tượng này là đáng kể nếu làm khô xảy ra nhanh.
Sự tạo gel của AP
      Xảy ra theo cùng các quy luật hoá lý song do cấu trúc phân nhánh của nó nên có một động học xuất hiện chậm hơn (sau 4-5ngày mới xuất hiện trạng thái đục còn kết tinh cực đai sau 45ngày) và với nồng độ tới hạn cao hơn (10-15%). Các tinh thể thường được tạo ra từ những mạch ngoài (có mức độ trùng hợp khoảng 15) của AP và được sắp xếp thành chùm. Do chiều dài ngắn nên nhiệt độ nóng chảy của các tinh thể này là thấp nhất (50-60⁰C).
      Khi tinh bột được xem một cách tổng thể thì hồ tinh bột là một cấu trúc dị thể được tạo ra từ các hạt tinh bột đã trương nở (giàu AP) bị chìm ngập trong dung dịch cao phân tử giàu PM. Khi làm lạnh, hồ tinh bột này sẽ tạo ra một gel composit gồm các hạt giàu AP bị cuộn chặt trong một gel tinh bột.
Gel composit này có những tính chất sau:
      - Có một độ nhớt đàn hồi của vật liệu gel phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ AM. Người ta nhận thấy có một mối tương quan chặt chẽ giữa hàm lượng AM của tinh bột thóc và độ đặc của hồ thu được từ các tinh bột này.
      - Có một độ cứng của pha rắn . Các hạt tinh bột bị trương càng ít thì gel càng cứng.
      Nhìn chung sự tiến triển cảu một gel tinh bột bao gồm 2 giai đoạn. Giai đoạn đầu nhanh, tương ứng với sự tạo gel của AM, tính chất thuận nghịch khi nhiệt độ dưới 140⁰C. Giai đoạn 2 xảy ra chậm thuận nghịch khi ở 90⁰C do phá vỡ các tinh thể của AP.
      Có nhiều thông số ảnh hưởng đến động học thoái hoá của tinh bột:
      - Nguồn gốc thhực vật học tinh bột, đặc biệt là hàm lượng AM
      - Nhiệt độ lưu giữ của gel: tốc độ và cường độ thoái hoá tối ưu ở gần 0⁰C. Nhiệt độ hồ hoá của các gel đã thoái hoá tỷ lệ cới nhiệt độ tái kết tinh
      - Hàm lượng nước: các gel có chứa 30-60% chất khô sẽ thoái hoá nhanh nhất. Làm xuất hiện các phức AM.
      - Công nghệ chế tác các gel: mỗi xử lí để khuyếch tán tinh bột đều dẫn đến một sự phân bố khác nhau của AM và AP do đó các gel thu được sẽ có cấu trúc khác nhau.
      Các tái tổ chức này của các phân tử là cơ sở của nhiều phương pháp công nghệ thủ công, đặc biệt là các chế tác các tinh bột nhào để tạo thỏi đi từ các ngũ cốc đã loại bỏ gluten (các mì dẹt từ gạo và từ đậu mungô).
2.4. Gel hỗn hợp
      Một hỗn hợp hai cao phân tử (tạo gel được hoặc không tạo gel được) trong một số trường hợp có thể tạo nên hiện tượng hiệp trợ dẫn đến các tính chất lưu biến khác nhau, đôi khi dẫn đến sự tạo gel. Trong khi đó mỗi hợp phần khi một mình riêng rẽ thì không có khả năng tạo gel.
Các tương tác này thường đưa đến các cấu trúc mới hoặc đưa đến những sự thay thế rất tinh tế. Có ba kiểu mạng lưới có thể được tạo ra:
      - Mạng lưới tạo ra có sự thâm nhập lẫn nhau của các mạng lưới riêng của mỗi polysaccarit.
      - Mạng lưới tạo ra do sự tương kị lẫn nhau với sự tách riêng pha và sự tạo gel riêng của mỗi polysaccarit.
      - Mạng lưới tạo ra do sự tạo các vùng nối hỗn hợp.
      Chẳng hạn sự tồn tại các tương tác giữa caraghenan và caroubue đã được ứng dụng trong công nghiệp. Các gel thu được có tính chất lưu biến đã bị thay đổi do sự có mặt của caroube. Cũng có thể thu được một gel với hỗn hợp caraghenan Kappa và galactomanan khi ở một nồng độ caraghenan thấp hơn nồng độ mà nó tạo gel một mình.
      Gôm xanthan và caroube khi đứng một mình thì không tạo gel mà chỉ có tính chất làm dày. Nhưng một hỗn hợp của hai polymer này khi ra nhiệt và làm lạnh sẽ tạo ra gel rất đàn hồi.
Các tương tác alginat- pectin, caraghenan- protein của sữa là những ví dụ về tính hiệp trợ của các polymer.
3. Kết luận
       Các sản phẩm thực phẩm có đặc điểm chung là thường được cấu tạo từ nhiều hợp phần khác nhau nhưng cấu tạo của các hợp phần này thường ổn định. Chính vì điều này đã giúp cho quá trình nghiên cứu được thuận lợi hơn. Hiện nay, cơ sở cấu trúc các sản phẩm thực phẩm là một lĩnh vực đang được chú trọng và quan tâm nghiên cứu vì nó giúp làm tăng giá trị của sản phẩm thực phẩm lên nhiều lần về mặt giá trị cảm quan. Chính vì vậy mục tiêu cần tăng cường đầu tư nghiên cứu hơn nữa trong lĩnh vực này.
      Tạo gel là một trong những khả năng của sản phẩm thực phẩm. Như vậy có thể thấy qua quá trình tìm hiểu sơ qua về khả năng tạo gel trong các sản phẩm thực ta có thể thấy đây là một tính chất chức năng vô cùng quan trong để tạo nên những cấu trúc đặc trưng cho các sản phẩm thực phẩm. Mỗi một sản phẩm thực phẩm có một đặc trưng riêng để phân biệt với các sản phẩm khác và khả năng tạo gel đã giúp tạo nên một số sản  phẩm đặc trưng như giò, xúc xích…Không những tạo hình dáng riêng tạo gel còn giúp tạo ra những nguồn nguyên liệu đặc biệt có độ xốp, tính đàn hồi cao tạo nên sản phẩm lý thú.
      Hầu hết các thành phẩn hoá học cấu tạo nên thực phẩm đều có khả năng tạo gel như protein, polysaccarit…là những thành phần chính mà chhúng ta đã tìm hiểu để từ đó có phũng phương pháp tác động nhàm thu được ssản phẩm thực phẩm tốt nhất đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người.