Gum Arabic: Cấu Tạo, đặc Tính Và ứng Dụng Trong Công Nghệ Thực ...

Trong ngành công nghiệp thực phẩm, việc sử dụng các loại gum là rất thường xuyên, đặc biệt trong một số sản phẩm cần cải thiện hoặc hiệu chỉnh cấu trúc. Bài viết này, chúng ta hãy cùng tìm hiểu về gum arabic: cấu tạo, đặc tính và ứng dụng trong các sản phẩm cụ thể.

Đặc tính và cấu trúc hóa học

Gum arabic (acacia gum, INS 414) là một loại keo thực phẩm có nguồn gốc tự nhiên được chiết từ nhựa loại cây acacia và đã được sử dụng làm nguyên liệu và phụ gia thực phẩm từ hàng ngàn năm trước. Hiện nay các loại gum arabic thương mại được sản xuất chủ yếu từ hai giống, gọi là Acacia senegal và Acacia seyal. Chúng có nhiều trạng thái khác nhau nhưng trạng thái được tinh chế, dạng bột vẫn là phổ thông nhất. Gum arabic, nhìn chung được xem là một polysaccharide arabinogalactan có mức độ phân nhánh và khối lượng phân tử (KLPT) cao, độ hòa tan rất cao (1g/2ml nước), tạo ra dung dịch có độ nhớt thấp ở trong nước. Khi so sánh độ nhớt của dung dịch guar gum, xanthan gum và λ-carrageenan ở nồng độ 1%, để đạt được độ nhớt tương tự với xanthan gum và λ-carrageenan (300-500 mPa.s) thì gum arabic phải có nồng độ lên đến 45%. Độ nhớt thấp này là do cấu trúc phân nhánh hình cầu của chúng đã cản trở sự hình thành các liên kết ngang (cross-links) hoặc liên kết hydrogen với nước và cũng chính cấu trúc này giúp cho chúng chống chịu được sự thủy phân trong môi trường acid, chống lại sự thoái hóa ở điều kiện nhiệt độ cao cũng như bởi sự xúc tác enzyme.

Tất cả các phân tử gum arabic chứa cùng một nhóm đường giống nhau: galactose, arabinose, rhamnose và glucuronic được trung hòa từng phần bởi muối của calcium, magnesium, potassium và sodium[1]. Nhờ các kỹ thuật phân tích hiện đại, các nhà khoa học nhận thấy cấu trúc của gum arabic không phải là đồng nhất. Trong phân tử của chúng có ít nhất hai phân đoạn có KLPT khác nhau. Trong phân đoạn có KLPT lớn nhất, đoạn polysaccharide arabinogalactan (AG) được gắn vào một khung có tính chất của protein để hình thành phân đoạn arabinogalactoprotein (AGP), tuy rằng AGP chỉ chiếm một lượng nhỏ trong gum nhưng điều này đã giải thích cho tính chất hoạt động bề mặt (surface active) và được sử dụng giống như một chất nhũ hóa của gum arabic[2]. Tuy nhiên số phân đoạn chứa khung có tính chất protein trong gum từ nguồn Acacia seyal ít hơn gấp đôi loại gum từ Acacia senegal, do đó người ta thường không dùng gum từ nguồn Acacia seyal cho mục đích nhũ hóa.[3]

Ứng dụng gum arabic trong công nghiệp thực phẩm

Trong các ứng dụng đa dạng của gum arabic, chúng có thể được sắp xếp thành các mục đích ứng dụng theo sản phẩm hoặc theo vai trò công nghệ của chúng tạo ra cho sản phẩm thực phẩm.

Trong sản xuất kẹo

Nhìn chung, gum arabic không được dùng như một chất tạo đặc trong các sản phẩm dạng lỏng do đặc tính tạo độ nhớt thấp của chúng. Tuy nhiên trong các sản phẩm chứa đường hoặc đường thay thế có hàm lượng chất khô cao, chúng có vai trò nổi bật. Chính đặc tính tạo độ nhớt thấp này làm chúng được ứng dụng trong các sản phẩm kẹo đổ khuôn, kẹo viên, sản phẩm kẹo có độ dai cao (chewy) có áo hoặc không áo đường, sản phẩm kẹo không đường (sugar-free, không chứa đường saccharose)…

Để tạo ra sản phẩm kẹo đổ khuôn có độ dai theo yêu cầu, người ta có thể dùng gum arabic với hàm lượng khác nhau. Ví dụ một công thức thường dùng để sản xuất loại kẹo đổ khuôn có cấu trúc dai, hơi cứng, trong đó có chứa 35% gum arabic, 30% đường saccharose, 25% đường glucose, khoảng 10% nước và thêm màu, hương liệu vừa đủ. Sản phẩm này có ưu điểm là có thể kéo dài thời gian nhai trong miệng, không dính răng và giải phóng hương vị tốt. Nếu muốn sản xuất loại kẹo có tính chất mềm dẻo hơn, có thể dùng gum arabic kết hợp với một chất tạo gel khác, chẳng hạn như gelatin.[4]

Một cách phối trộn nguyên liệu cho sản phẩm nói trên có thể chứa khoảng 15% gum arabic, 5% gelatin, 24% đường saccharose, 44% đường glucose, thêm màu, hương liệu và còn lại 12% nước. Trong sản xuất kẹo cứng không đường saccharose, có thành phần các đường polyol thay thế như sorbitol, maltitol hoặc mannitol (sugar alcohol – đường năng lượng thấp), vì gum arabic có tính chất giữ ẩm nên nó thường được dùng khoảng 2-5% để làm tăng độ ẩm của kẹo sau khi nấu khoảng 1-3%. Vì vậy, nhiệt độ nấu kẹo có thể giảm được 5-15°C, đồng thời kẹo thành phẩm giảm hiện tượng hút ẩm, ngăn cản sự kết tinh của các đường polyol và kẹo không bị dính vào bao bì.[4]

Trong sản phẩm áo và vo viên

Trong công nghệ sản xuất kẹo truyền thống, có rất nhiều loại kẹo có nhân chocolate, hạnh nhân, hạt điều, đậu phộng, jelly, chewing gum,… được áo bằng một lớp vỏ đường hoặc chocolate. Có ba phương pháp áo khác nhau tùy vào loại nhân, bản chất của lớp áo và cấu trúc yêu cầu, đó là: lớp áo cứng, lớp áo mềm và lớp áo chocolate. Quá trình áo được thực hiện trong một thiết bị hình tròn, quay đều liên tục. Do tính chất tạo màng mỏng của gum arabic mà nó được sử dụng trong các dịch đường áo để làm tăng hiệu quả áo và làm cải thiện một số tính chất của các loại nhân bên trong.[5]

Ví dụ khi sản xuất kẹo dạng viên có nhân chocolate hay hạnh nhân (là những loại chứa lượng chất béo cao), lớp áo đường có chứa gum arabic sẽ tạo ra những lớp màng mỏng ngăn chặn sự thấm chất béo từ trong nhân lên bề mặt, tạo ra hiện tượng loang lổ chất béo (gọi là hiện tượng blooming) và khả năng tạo ra mùi vị ôi gắt do chát béo bị oxy hóa. Hơn nữa, gum arabic còn tạo cho quá trình áo dễ dàng, đường bám dính tốt hơn, lớp áo đường bằng phẳng, có độ đàn hồi linh hoạt làm bề mặt viên kẹo không bị nứt, gãy. Một tỷ lệ gum arabic 3-5% trong dung dịch đường saccharose 80% chất khô có thể dùng để tạo ra một lớp áo đường cứng. Trường hợp này, gum arabic còn giúp làm giảm sự hình thành các tinh thể lớn của đường saccharose. Với sản phẩm có lớp áo chocolate, một dung dịch gum arabic 30-50% sẽ được áo để làm bóng, sáng cho lớp áo chocolate ngoài cùng, sau đó sản phẩm được bao phủ bằng một lớp sáp thực phẩm, có tên thường gọi là shellac, để ngăn sự hút ẩm của gum arabic.[4]

Tương tự đối với sản xuất kẹo có nhân chewy gum và lớp áo đường cứng sugar-free (giống như kẹo gôm xylitol phổ biến nhất trên thị trường hiện nay), gum arabic cũng được sử dụng trong dung dịch cùng với các đường polyol như xylitol và maltiol để tạo lớp vỏ đường cứng. Một dung dịch chứa 65% đường polyol, 3% gum arabic, 1% titan dioxide và 31% nước được phun lên bề mặt của nhân chewy gum và sau đó được làm khô bởi dòng không khí có độ ẩm 30-40%. Thao tác phun và làm khô này được thực hiện cho đến khi lớp áo đường đủ dày theo yêu cầu. Ngoài các tác dụng nêu trên, gum arabic trong lớp áo đường này giúp cho kẹo giảm được hiện tượng hút ẩm.[4]

Tính chất tạo lớp màng dính này còn được dùng trong sản xuất các sản phẩm chẳng hạn như đậu phộng rang có rắc muối. Hạt đậu phộng được áo lớp dung dịch gum arabic rồi muối được phun, rắc lên; sau đó sản phẩm được đưa vào lò rang. Dung dịch này có tác dụng như một lớp keo dính giúp cho các hạt muối không bị rơi ra khỏi hạt sau quá trình rang và đóng gói, đồng thời ngăn cản chất béo thoát ra bề mặt, gây sự oxy hóa.

Sản phẩm hệ nhũ

Tuy gum arabic không được xếp vào nhóm chất nhũ hóa nhưng trong thực tế, nó được sử dụng  như một chất nhũ hóa và chất ổn định trong các hệ nhũ hóa dầu trong nước (O/W). Tính chất này có được là do trong phân đoạn AGP của gum arabic có thành phần chứa đặc tính của  protein, có tính chất hoạt động bề mặt, tạo cho gum arabic có giá trị “cân bằng ưu nước – kỵ nước (HLB)” và sự hình thành một lớp màng mỏng bao chung quanh các giọt dầu.[4]

Như đã mô tả ở trên, gum arabic từ loại Acacia seyal có tỷ lệ protein thấp hơn nên chúng tạo ra hệ nhũ có kích thước giọt dầu lớn hơn và độ bền nhũ thấp hơn so với loại Acacia senegal nên khi sử dụng cho mục đích nhũ hóa thì gum arabic từ loại Acacia senegal sẽ được dùng.

Do hương liệu, một số chất màu, vitamin,… không hòa tan hoặc phân tán trong nước nên không thể sử dụng chúng trong sản xuất nước giải khát, do đó người ta dùng tính chất tạo nhũ của gum arabic để nhũ hóa chúng, tạo ra các sản phẩm nhũ tương đậm đặc có thể phân tán trong nước. Sản phẩm này có thể được phối trộn vào trong các sản phẩm nước giải khát với vai trò là nguyên liệu tạo hương vị, tạo màu, bổ sung dinh dưỡng,… đặc biệt sản phẩm nhũ tương này có thể dùng thích hợp trong các loại nước giải khát có pH thấp (hương cam, chanh,…) vì gum arabic bền trong môi trường acid, không bị thủy phân ngay cả khi pH=2.[4]

Kỹ thuật tạo và làm bền nhũ tương này có thể mô tả vắn tắt sau: dung dịch gum arabic được trộn với pha dầu (có thể chứa hương liệu, màu, vitamin,…) trong thiết bị trộn tốc độ cao để tạo ra hệ nhũ hóa. Sau đó hệ nhũ được đưa vào thiết bị đồng hóa để tạo ra các vi hạt có kích thước đồng nhất, giúp làm tăng độ bền của hệ nhũ.

Sản phẩm bao vi nang

Một trong những ứng dụng rất quan trọng và rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm của gum arabic là khả năng tạo thành các mạng lưới (matrix) hoặc màng mỏng (membrane) bao chung quanh những hạt dầu rất nhỏ, sau đó tạo ra các vi hạt rắn và đây là một kỹ thuật gọi là “bao vi hạt/vi nang (encapsulaion)”. Kỹ thuật này được ứng dụng trong nhiều sản phẩm và mục đích công  nghệ mà một trong số đó là ngành công nghiệp hương liệu [4]. Do hương hiệu có chứa các hợp chất tan trong dầu, không tan trong nước, dễ bị oxy hóa… nên gum arabic được dùng để bao viên các giọt dầu hương liệu li ti (vi giọt), chuyển chúng thành dạng bột rắn nhằm các mục đích sau:

• Hạn chế sự oxy hóa hương liệu trong thời gian bảo quản (gum arabic tạo màng bao quanh giọt hương liệu, ngăn chặn sự tấn công của oxy không khí).
• Giúp hương liệu có thể phân tán trong nước (do gum arabic tan được trong nước) trong quá trình chế biến thực phẩm.
• Giảm sự thất thoát hương liệu trong quá trình chế biến thực phẩm có gia nhiệt.[4]

Kỹ thuật bao vi nang có thể mô tả vắn tắt như sau: dung dịch gum arabic (pha nước) được trộn với hương liệu (pha dầu) trong thiết bị trộn tốc độ cao để tạo ra hệ nhũ hóa. Sau đó hệ nhũ được đưa vào thiết bị đồng hóa để tạo ra các vi hạt có kích thước đồng nhất. Cuối cùng, hỗn hợp này được đem sấy phun tạo thành sản phẩm dạng bột rắn có kích thước hạt đồng đều. Đây chính là một trong các công nghệ tạo ra sản phẩm hương liệu dạng bột.

Tài liệu tham khảo

[1] P. Jurasek. “A chemometric study of the Acacia (gum arabic) and related natural gums,” Food Hydrocolloids. 1993, pp. 73-85. [2] G. B. Fincher. “Arabinogalactan-proteins: structure, biosynthesis, and function,” Annual Review of plant Physiology. 1983, pp. 47-70. [3] D. M. W. Anderson. “The amino acid cmposition and quantitative sugar-amino acid relationships in sequential Smith-degradation products from gum arabic (Acacia senegal (L.) Willd),” Food Additive and Contaminants. 1987, pp. 125-132. [4] A. Imeson. Food Stabilisers, Thickeners and Gelling Agents. Blackwell Publishing Ltd, 2010, pp. 11-30. [5] M. J. Lynch. The Manufacturing Confectioner. Chicago: MC Publishing, 1992, pp. 59-64.

Thanh Bình RD VNO