Agar

Cấu trúc hóa học của agarose

Cấu trúc hóa học của agaropectin

Agar là hỗn hợp của hai polysaccharide gồm agarose (tạo gel) và agaropectin (không tạo gel) được tách từ thành tế bào của các loài rong đỏ (thuộc lớp Rhodophyceae). Cấu trúc chính của agarose (chiếm đến 70%) bao gồm các đơn vị lặp lại của-D-galactose và 3,6-anhydro-α-L-galactose và agaropectin (chiếm khoảng 30%) cũng có cùng đơn vị lặp lại cơ bản như agarose nhưng một số nhóm hydroxyl của 3,6-anhydro-α-L-galactose được thay thế bằng nhóm este sulfate hoặc methyl và pyruvate. Agar có khối lượng phân tử từ 110.000 đến 160.000 Dalton, không màu và không vị, không tan trong nước lạnh, tan trong nước nóng, nóng chảy từ 80-100°C và đông đặc (gel hóa) ở khoảng 32-45°C.

Hàm lượng agarose đóng vai trò quan trọng đối với tính chất của gel agar như: độ bền, nhiệt độ tạo gel, nhiệt độ nóng chảy của gel. Hàm lượng sulfate trong agarose được sử dụng để đánh giá độ sạch của agarose. Hàm lượng sulfate càng thấp thì chất lượng agarose càng cao. Khả năng tạo gel của agar phụ thuộc vào hàm lượng agarose, tỷ lệ agarose càng cao thì khả năng tạo gel càng lớn. Agaropectin là polysaccharide tích điện, không có khả năng tạo gel và không có giá trị về thương mại.

Lịch sử

Agar là phyc°Colloid đầu tiên vô tình được phát hiện từ món rong biển Gelidium truyền thống bởi Minoya Tarozaemon - người quản lý của nhà hàng tại Kyoto, Nhật Bản vào giữa thế kỷ mười bảy. Tuy nhiên gần hai trăm năm sau agar mới được biết đến ở châu Âu. Agar có nhiều tên gọi khác nhau như: Kanten (ở Nhật Bản), Dongfen (ở Trung Quốc) và được sản xuất chủ yếu từ hai chi rong đỏ Gelidium và Gracilaria.

Sản xuất

Rong đỏ, nguồn nguyên liệu tạo agar

Trên thế giới, hàm lượng agar trong rong đỏ dao động từ 20 - 40%. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến sản lượng và phẩm chất của agar là: loài rong dùng làm nguyên liệu; vị trí địa lý thu mẫu; mùa và điều kiện môi trường; bảo quản rong sau thu hoạch và phương pháp chiết xuất.

Quy trình để chiết xuất agar được thực hiện theo các bước cơ bản sau:

• Thu hoạch rong biển từ tự nhiên hoặc từ nuôi cấy
• Làm khô rong biển bằng phơi nắng hoặc sấy
• Tiền xử lý bằng kiềm hóa (alkali) để chuyển đổi L-galactose-6-sulfate thành 3,6-anhydro-L-galactose nhằm cải thiện về độ bền của gel
• Chiết xuất: thường được tiến hành trong nước nóng (2-4 giờ) ở 95-100°C sau đó lọc nóng loại bỏ chất không hòa tan
• Gel hóa: làm nguội ở nhiệt độ phòng để cho quá trình gel hóa
• Đông lạnh-rã đông: gel đã tạo thành được đông lạnh chậm để phát triển các tinh thể lớn, và sau đó rã đông để loại bỏ lượng nước dư thừa
• Làm khô, nghiền và thu sản phẩm cuối cùng.

Tính chất

Các tính năng quan trọng của agar là:

• Khả năng hút nước của agar cho phép nó tạo thành gel mạnh hơn so với bất kỳ loại chất tạo gel khác ở cùng nồng độ sử dụng.
• Tan và tạo gel tốt trong nước mà không cần bổ sung chất hỗ trợ tạo gel, như kali (cần thiết với carrageenans), canxi (hoặc các cation hóa trị hai cần thiết với alginat), v.v.
• Có thể được sử dụng ở độ pH từ 5 đến 9 và chịu được các quá trình xử lý nhiệt rất tốt, thậm chí trên 100°C.
• Ở nồng độ 1,5%, agar tạo gel trong khoảng 32- 45°C và không nóng chảy dưới 80°C. Đây là một đặc tính độc đáo của AG, so với các chất tạo gel khác.
• Gel agar không có hương vị, nó chỉ đồng hóa và tăng cường hương vị của các sản phẩm phối trộn với nó và có đặc tính như một chất định hương cho sản phẩm.
• Gel agar rất ổn định và tương thích với hầu hết các polysaccharide và protein khác mà không tạo ra kết tủa (như alginat với canxi).
• Gel agar có tính chất thuận nghịch, cho phép nó đông đặc và tan chảy nhiều lần mà không làm mất các đặc tính ban đầu.

Tính chất đặc biệt quan trọng của agar là khả năng gel hóa. Khi dung dịch agar nguội xuống ở nhiệt độ khoảng 40–50°C, các chuỗi sẽ liên kết với nhau từng đôi một bằng liên kết hydro để tạo thành chuỗi xoắn kép, tiếp theo là sự tổ hợp các chuỗi xoắn kép lại với nhau tạo ra một mạng lưới không gian ba chiều. Do đặc tính độc đáo này mà gel agar giữ bên trong mạng lưới một lượng lớn các phân tử nước có thể di chuyển tự do thông qua việc trao đổi ion. Ngoài các liên kết hydro, cấu trúc gel vững chắc nhờ các nút mạng chứa liên kết ion nội phân tử, nên gel agar rất bền.

Quá trình hình thành gel và độ ổn định của gel bị ảnh hưởng bởi chất lượng, hàm lượng và khối lượng phân tử của AG. Kích thước lỗ gel phụ thuộc vào nồng độ AG, nồng độ agar càng cao kính thước lỗ gel càng nhỏ. Nồng độ agar thường được dùng tạo gel là từ 0,5% đến 2%.

Một tính chất quan trọng nữa của gel agar là độ trễ gel rất cao (được định nghĩa là sự chênh lệch giữa nhiệt độ tạo gel và nhiệt độ nóng chảy của nó). Nhiệt độ tạo gel và nhiệt độ nóng chảy của gel phụ thuộc vào tốc độ làm mát, chất lượng và nồng độ của agar. Các dung dịch agar thể hiện độ trễ trong quá trình chuyển từ dạng lỏng sang dạng gel. agar được tách chiết từ các loại rong khác nhau thì nhiệt độ tạo gel và độ nóng chảy gel cũng bị ảnh hưởng và nằm những dải nhiệt độ khác nhau. Ví dụ: agar tách từ Gelidium tạo gel ở nhiệt độ 28-31°C và nóng chảy ở 80-90°C; agar tách từ Gracilaria tạo gel ở nhiệt độ 29-42°C và nóng chảy ở nhiệt độ 76-92°C.

Ứng dụng

Các đĩa agar được tẩm máu cừu để nuôi vi khuẩn.

Agar từ lâu đã được sử dụng ở Đông Nam Á như là một chất làm đông, một thành phần của thực phẩm ăn kiêng, một phụ gia được công nhận là phụ gia an toàn trong ngành công nghiệp thực phẩm. Việt Nam có sự đa dạng và phong phú về nguồn lợi rong biển như rong nâu, rong đỏ và rong lục. Trong đó rong đỏ có những loài có giá trị kinh tế cao.

Hiện nay, agar được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghệ thực phẩm, dược phẩm, sinh học. Các ứng dụng chính của agar liên quan đến tính chất hình thành gel thuận nghịch ở nồng độ thấp trong nước. Khoảng 90% agar được sản xuất trên toàn cầu là để ứng dụng làm phụ gia thực phẩm (chất nhũ hóa, chất ổn định, chất làm đặc và chất tạo gel, v.v.) trong các quá trình sản xuất kẹo, nước trái cây, nước sốt và gia vị, kem, sữa lắc, sản phẩm sữa lên men và nhiều loại thực phẩm khác. Với hàm lượng calo thấp, agar còn là một thành phần chất xơ lý tưởng để chế biến thực phẩm ăn kiêng. Ngoài các ứng dụng trong thực phẩm, khoảng 10% lượng agar hiện đang được sử dụng cho các ứng dụng trong công nghệ sinh học như: môi trường nuôi cấy vi khuẩn, vi tảo, nấm, mô cũng như để tách các đại phân tử bằng phương pháp điện di. Gần đây, việc sử dụng agar trong kỹ thuật nano cũng đã được phát triển và có nhiều ứng dụng khác nhau. Sử dụng các hạt nano kim loại/agar (với kim loại là Fe, Cu, Pd, Fe/Cu và Fe/Pd) để thay thế thuốc nhuộm cation (như xanh methylen và rhodamine B), nhằm hạn chế các loại thuốc nhuộm độc hại cho công nghiệp dệt nhuộm. Màng sinh học dựa trên sự kết hợp của agar với các hạt nano bạc thể hiện hoạt tính kháng khuẩn mạnh mẽ và khả năng giữ nước cao, đang được nghiên cứu ứng dụng trong sản xuất bao bì thực phẩm. Oligosacarit điều chế từ agar có nhiều tính năng vượt trội có thể ứng dụng trong ngành thực phẩm, mỹ phẩm và y tế.

Tài liệu tham khảo

1. Steglich Wolfgang et al., Natural Products, RÖMPP Encyclopedia, 1st Edition, 2000, 10.
2. Capillo Gioele et al., Gracilaria gracilis, source of agar: A short review, Current Organic Chemistry, 2017, 21, 380-386.
3. Wei-Kang Lee et al., Biosynthesis of agar in red seaweeds: A review, Carbohydrate Polymers, 2017, 164, 23-30.
4. Katsuyoshi Nishinari et al., Relation between structure and rheological/thermal properties of agar A mini-review on the effect of alkali treatment and the role of agaropectin, Food Structure, 2017, 13, 24-34.