Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu chuyển hóa Carrageenan.
411Tạp chí Hóa học, T. 43 (4), Tr. 411 - 415, 2005 Nghiên cứu chuyển hóa -Carrageenan thành -Carrageenan Phần I - Tối u hóa cấu trúc của Carrageenan bằng phần mềm tính toán hóa học Hyper Chem 7.02 Đến Tòa soạn 23-6-2004 phạm hồng hải, nguyễn xuân nguyên, trần Đình Toại Viện Khoa học v$ Công nghệ Việt Nam Summary Carrageenan is used widly in the food industry. The use depents on their character. That is very important to determine their composition - structure. We have extracted the carrageenan from Red seaweed. In order to investigate its transformation (translatable properties), we summary a optimum structure of this carrageenan by standard calculation program Hyper Chem 7.20. About the optimum structure where is a information of some properties of this carrageenan as folowing: linked length, linked corners, and formula of carragenan. I - Mở đầu Carrageenan l polysaccarit tự nhiên đợc tách ra từ rong biển (ngnh rong Đỏ Rhodophyta) [1]. Ngoi chức năng lm vật liệu tạo nên thnh tế bo v l nguồn đờng dự trữ, polysaccarit giữ nhiều chức năng khác quan trọng đối với tế bo nh trao đổi chất v bảo vệ tế bo nên chúng có độ bền cơ học cao. Vì bản chất nêu trên, kết hợp với một số tính chất đặc biệt của chúng nh tạo gel ở nồng độ rất thấp (1%), độ nhớt cao rất dễ tạo mng, m các polysaccarit ny đI đợc sử dụng rộng rIi trong nhiều ngnh của kinh tế quốc dân, đặc biệt ltrong chế biến sữa, thịt. Ngoi ra, chúng còn lnguồn nguyên liệu quý để lm dợc phẩm, chế thuốc [2]. Vì những lý do trên, việc nghiên cứu carrageenan không chỉ có ý nghĩa về mặt khoa học m còn có ý nghĩa lớn về mặt thực tế. Vì vậy, để đạt mục đích nghiên cứu chúng tôi sử dụng phần mềm hóa lợng tử Hyper Chem để tính toán những thông số cần thiết cho việc hiểu biết thêm về cơ chế, động học của của phản ứng chuyển hóa carrageenan. Chúng tôi xin giới thiệu một phần trong chơng trình nghiên cứu của chúng tôi bi ở báo ny.II - Cấu trúc v% tính chất của Carrageenan Carrageenan l hỗn hợp các galactan sulfat. Đơn vị cấu trúc của carrageenan gồm 2 đờng đơn --D-galactose (đơn vị cấu trúc G,D) hoặc gồm đờng đơn --D-galactose v 3,6-anhiđro-D-galactose (đơn vị cấu trúc G,DA) gắn với nhau bởi liên kết (1-4) [1, 3]. Các đơn vị cấu trúc ny liên kết với nhau qua mối liên kết (1-3) tạo thnh carrageenan. Theo đơn vị cấu trúc, có thể chia carrageenan thnh 2 nhóm: - Nhóm không có 3,6-anhiđro-D-galactose, có đơn vị cấu trúc (G,D) nh: các dạng à-; -, -carrageenan. 412- Nhóm có 3,6-anhiđro-D-galactose, có đơn vị cấu trúc (G,DA) nh: các dạng -; -, -; -carrageenan. ĐI có một số công bố về nghiên cứu mô hình hóa cấu trúc của carrageenan [4]. Đối với carrageenan, một quá trình đáng luý l chuyển carrageenan từ nhóm cấu trúc không có liên kết 3,6-anhiđro-D-galactose (G,D) thnh carrageenan thuộc nhóm có liên kết 3,6-anhiđro-D-galactose (G,DA) [5]. Quá trình chuyển hóa ny đợc thực hiện trong môi trờng kiềm mạnh hoặc có thể do các tác nhân oxi hóa khử khác [6] (hình 1). OOOOOHOHCH2OHOCH2OSO3-OHOSO3-H (30%)SO3-(70%)H (30%)SO3-(70%)OSO3-OCH2OSO3-OCH2OHOHOOOO-carrageenan -carrageenan Hình 1: Quá trình chuyển hóa carrageenan trong môi trờng kiềm mạnh Ngoi quá trình biến đổi cấu trúc, đối với carrageenan còn có thể có quá trình chuyển hóa từ dạng ny sang dạng khác do tạo thêm hoặc mất nhóm sulfat. Tùy hm lợng v vị trí của nhóm sulfat trong cấu trúc, m carrageenan có dạng khác nhau, thí dụ nh: -carrageenan (25% sulfat); -carrageenan (32% sulfat); -carrageenan (35% sulfat). Nghiên cứu cấu trúc của carrageenan bằng phơng pháp cộng hởng từ hạt nhân cho thấy rằng nhóm sulfat ảnh hởng rất lớn tới các giá trị dịch chuyển hóa học của các vị trí cacbon trong cấu trúc của polysaccarit ny.Điều ny có thể thấy đợc khi so sánh độ chuyển dịch hóa học của các loại carrageenan thờng gặp trong tự nhiên [7, 8]. Iii - Nguyên liệu v% ph,ơng pháp nghiên cứu 1. Nguyên liệu cho nghiên cứu Carrageenan-sản phẩm hợp tác của phòng thí nghiệm enzym Viện Hóa học với Liên hiệp KHSX Công nghệ hóa học, Viện Hóa học các hợp chất thiên nhiên tách chiết từ rong Hồng vân Eucheuma gelatinae (ngnh rong Đỏ Rhodophyta). 2. Phơng pháp nghiên cứu thnh phần, cấu trúc của carrageenan bằng phổ Cộng hởng từ hạt nhân (NMR) Ngy nay phổ cộng hởng từ hạt nhân (NMR) l một trong các công cụ chuẩn để xác định cấu trúc phân tử. Chúng tôi sử dụng phơng pháp ny để nghiên cứu carrageenan. Chuẩn bị mẫu v ghi phổ: Hòa tan 20 - 30 mg mẫu trong D2O v 1-5% DMSO đến nồng độ 2-3 %, ở 80oC. Việc ghi phổ đợc thực hiện trên máy phổ NMR độ phân giải cao Bruker Avent 500 MG tại Viện Hóa học, Viện Khoa học v Công nghệ Việt Nam. 3. Phơng pháp tính toán bằng phần mềm tính toán hóa học Hyper Chem 7.02 Hyper Chem l phần mềm hóa lợng tử đợc sử dụng rộng rIi để mô hình hóa v thiết kế phân tử. Hyper Chem cho phép xây dựng các cấu trúc hai chiều v ba chiều của nhiều loại phân tử đặc biệt l các đại phân tử nh protein, polyme . Những tính toán trong Hyper Chem đều tập trung giải quyết vấn đề thế năng tơngtác giữa các electron dựa vo việc giải gần đúng các phơng trình chứa tích phân Coulomb vtích phân xen phủ giữa các electron. Hyper Chem sử dụng các phơng pháp tính gần đúng bán kinh nghiệm nh AM1, PM3 v ZINDO. Các phơng pháp tính gần đúng ny cho những kết quả phù hợp với thực nghiệm. Trong 413đó, phơng pháp PM3 cơ bản dựa trên việc bỏ qua sự xen phủ vi phân giữa hai nguyên tử. Do đó phơng pháp ny đI đợc sử dụng để tính toán theo các bớc nh sau: - Xây dựng cấu trúc hai chiều v ba chiều của đơn vị cấu trúc carrageenan. - Tối u hóa các cấu trúc ny bằng phơng pháp PM3 với độ hội tụ 0,001. - Tính độ dịch chuyển hóa học của các carrageenan trong phổ 13C-NMR - Tính toán các tham số nh: diện tích bề mặt của phân tử; thể tích phân tử. Điện tích nguyên tử (QA): QA= ZA- PA,trong đó: ZAl điện tích hạt nhân nguyên tử A (số electron hóa trị), PAl mật độ electron. IV - Kết quả nghiên cứu 1. Kết quả tính toán Kết quả tính toán tối u hóa độ di v góc liên kết trong đơn vị cấu trúc của carrageenan đợc trình by trong các bảng 1 v 2.Bảng 1: độ di liên kết giữa các nguyên tử trong đơn vị cấu trúc của carrageenan độ di liên kết độ di liên kết Nguyên tử Thực Tối uNguyên tử Thực Tối uO[14]-H[]30 0,952 0,942 C[1]-C[2] 1,562 1,505C[15]-O[16] 1,345 1,421 C[1]-C[6] 1,577 1,505C[15]-H[44] 1,133 1,111 C[1]-O[14] 1,358 1,421C[15]-H[45] 1,127 1,111 C[1]-H[49] 1,138 1,111O[16]-H[29] 0,955 0,942 C[2]-C[3] 1,544 1,514O[17]-C[25] 1,348 1,402 C[2]-O[17] 1,365 1,402C[18]-O[19] 1,219 1,402 C[2]-H[50] 1,136 1,111C[18]-H[42] 3,934 1,111 C[3]-C[4] 1,521 1,505C[18]-H[43] 1,134 1,111 C[3]-H[45] 1,121 1,113O[19]-S[20] 1,751 - C[3]-H[55] 1,119 1,113S[20]-O[26] 1,487 1,450 C[4]-O[5] 1,499 1,402S[20]-O[27] 1,495 1,450 C[4]-O[13] 1,301 1,402S[20]-O[28] 1,490 1,450 C[4]-H[56] 1,144 1,109O[21]-C[22] 1,345 1,402 O[5]-C[6] 1,450 1,402C[22]-H[39] 1,119 1,111 C[6]-C[15] 1,508 1,505C[22]-H[40] 1,121 1,111 C[6]-H[48] 1,111 1,111C[22]-H[41] 1,124 1,111 C[7]-C[8] 1,558 1,505O[23]-H[31] 0,953 0,942 C[7]-O[12] 1,359 1,402O[24]-S[32] 1,655 - C[7]-C[18] 1,503 1,505C[25]-H[36] 1,118 1,111 C[7]-H[52] 1,145 1,111C[25]-H[37] 1,121 1,111 C[8]-C[9] 1,571 1,505C[25]-H[38] 1,122 1,111 C[8]-O[13] 1,381 1,402S[32]-O[33] 1,503 1,450 C[8]-H[53] 1,142 1,111S[32]-O[34] 1,498 1,450 C[9]-C[10] 1,568 1,505S[32]-O[35] 1,499 1,450 C[9]-O[23] 1,364 1,421C[2]-C[1]-C[6] 118,727 109,510 C[9]-H[51] 1,138 1,111C[2]-C[1]-O[14] 106,519 107,700 C[10]-C[11] 1,560 1,496C[2]-C[1]-H[49] 109,391 109,390 C[10]-O[24] 1,315 1,402C[6]-C[1]-O[14] 110,133 107,700 C[10]-H[47] 1,161 1,111C[6]-C[1]-H[49] 109,391 109,390 C[11]-O[12] 1,415 1,402O[14]-C[1]-H[49] 101,236 106,700 C[11]-O[21] 1,346 1,402C[1]-C[2]-C[3] 115,823 109,510 C[11]-H[46] 1,148 1,109 414Bảng 2: Góc liên kết giữa các nguyên tử trong đơn vị cấu trúc của carrageenan Góc liên kết Góc liên kết Góc liên kết giữa nguyên tử Thực Tối uGóc liên kết giữa nguyên tử Thực Tối uC[7]-C[8]-H[53] 104,282 109,390 C[1]-C[2]-O[17] 108,519 107,700C[9]-C[8]-O[13] 107,293 107,700 C[1]-C[2]-H[50] 109,045 109,390C[9]-C[8]-H[53] 112,273 109,390 C[3]-C[2]-O[17] 107,611 107,700O[13]-C[8]-H[53] 99,423 106,700 C[3]-C[2]-H[50] 103,632 109,390C[8]-C[9]-C[10] 113,565 109,510 O[17]-C[2]-H[50] 112,236 106,700C[8]-C[9]-O[23] 101,102 107,700 C[2]-C[3]-C[4] 119,297 109,500C[8]-C[9]-H[51] 107,400 109,390 C[2]-C[3]-H[54] 110,790 109,410C[10]-C[9]-O[23] 117,389 107,700 C[2]-C[3]-H[55] 107,709 109,410C[10]-C[9]-H[51] 107,501 109,390 C[4]-C[3]-H[54] 104,726 109,410O[23]-C[9]-H[51] 109,425 106,700 C[4]-C[3]-H[55] 111,439 109,410C[9]-C[10]-C[11] 114,488 109,510 H[54]-C[3]-H[55] 101,422 109,400C[9]-C[10]-O[24] 114,761 107,700 C[3]-C[4]-O[5] 103,765 107,700C[9]-C[10]-H[47] 99,652 109,390 C[3]-C[4]-O[13] 111,675 107,700C[11]-C[10]-O[24] 116,637 107,700 C[3]-C[4]-H[56] 112,950 109,390C[11]-C[10]-H[47] 98,958 109,390 O[5]-C[4]-O[13] 116,492 97,000O[24]-C[10]-H[47] 109,342 106,700 O[5]-C[4]-H[56] 98,701 106,700C[10]-C[11]-O[12] 106,540 107,700 O[13]-C[4]-H[56] 112,434 106,700C[10]-C[11]-O[21] 111,275 107,700 C[4]-O[5]-C[6] 138,573 106,800C[10]-C[11]-H[46] 112,850 109,390 C[1]-C[6]-O[5] 103,716 107,700O[12]-C[11]-O[21] 117,849 97,000 C[1]-C[6]-C[15] 127,015 109,510O[12]-C[11]-H[46] 95,867 106,700 C[1]-C[6]-H[48] 109,393 109,390O[21]-C[11]-H[46] 111,619 106,700 O[5]-C[6]-C[15] 111,971 107,700C[7]-O[12]-C[11] 128,720 106,800 O[5]-C[6]-H[48] 106,702 106,700C[4]-O[13]-C[8] 153,886 106,800 C[15]-C[6]-H[48] 96,571 109,390C[1]-O[14]-H[30] 113,238 106,900 C[8]-C[7]-O[12] 111,595 107,700C[6]-C[15]-O[16] 112,829 107,400 C[8]-C[7]-C[18] 121,065 109,510C[6]-C[15]-H[44] 109,409 109,410 C[8]-C[7]-H[52] 102,432 109,390C[6]-C[15]-H[45] 109,409 109,410 O[12]-C[7]-C[18] 110,598 107,700O[16]-C[15]-H[44] 106,700 106,700 O[12]-C[7]-H[52] 112,273 106,700O[16]-C[15]-H[45] 106,700 106,700 C[18]-C[7]-H[52] 97,538 109,390H[44]-C[15]-H[45] 111,783 109,400 C[7]-C[8]-C[9] 113,053 109,510C[15]-O[16]-H[29] 110,881 106,900 C[7]-C[8]-O[13] 119,685 107,7002. Kết quả nghiên cứu tối u hóa đơn vị cấu trúc của carrageenan Kết quả tính toán điện tích của các nguyên tử trong đơn vị cấu trúc của carrageenan đợc trình by trên hình 2 v xây dựng mô hình đơn vị cấu trúc tối u hóa về mặt năng lợng của carrageenan đợc trình by trên hình 3. 415Hình 2: Điện tích các nguyên tử trong đơn vị cấu trúc của carrageenan Hình 3: Cấu trúc tối u về mặt năng lợng đơnvị cấu trúc của carrageenan V - Kết luận ĐI nghiên cứu tối u hóa độ di v góc liên kết trong đơn vị cấu trúc của carrageenan để tính toán tối u về mặt năng lợng v xây dựng mô hình đơn vị cấu trúc của polysaccarit ny.Công trình n$y đ@ợc ho$n th$nh với sự hỗ trợ kinh phí của Hội đồng Khoa học tự nhiên. T%i liệu tham khảo 1. W. Mackie and R. D. Preston. Chapter 2. Cell wall and intercellular region polysaccharides (7. Sulphated polysaccha-rides), Algal physiology and Biochemistry, P. 63 - 69 (1976). 2. Gerhard A. De Ruiter and Brian Rudolph. Carragenan biotechnology. Trends in Food science & Technology, 8, P. 389 - 395 (1997). 3. Stepanenko B. N. Chemistry and Biochemistry of Carbohydrates (Polysac-charides), Moscow (tiếng Nga) (1978). 4. S. Janaswamy, R. Chandrasekaran. Carbo-hydrate Research, 335, P. 181 - 194 (2001). 5. Christian W. Kasbauer, Dietrich H. Paper, Gerhard Franz. Carbohydrate Research, 330, P. 427 - 430 (2001). 6. Thanh Thi Thu Thuy. Structure of sulfated polysaccharides in aqueous solution. Doctoral thesis submitted to Kyoto Institute of Technology (2002). 7. Ruth Falshaw and Richard H. Furneaux. Carrageenans from the tetrasporic stages of Gigartina clavifera and Gigartina alveata (Gigartinaceae, Rhodophyta) Carbohydrate Research, 276, P. 155 - 165 (1995). 8. Ruth Falshaw and Richard H. Furneaux. Carbohydrate Research, 252, P. 171 - 182 (1994). . 411Tạp chí Hóa học, T. 43 (4), Tr. 411 - 415, 2005 Nghiên cứu chuyển hóa -Carrageenan thành -Carrageenan Phần I - Tối u hóa cấu trúc của Carrageenan. m carrageenan có dạng khác nhau, thí dụ nh: -carrageenan (25% sulfat); -carrageenan (32% sulfat); -carrageenan (35% sulfat). Nghiên cứu cấu trúc của carrageenan