Carrageenan là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về Carrageenan

Carrageenan là một nhóm polysaccharide sulfat hóa có nguồn gốc từ rong đỏ, chủ yếu từ các loài như Kappaphycus alvarezii, Eucheuma denticulatum và Chondrus crispus. Đây là hợp chất tự nhiên, không chứa calo, không có giá trị dinh dưỡng nhưng lại đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong kết cấu và ổn định của nhiều sản phẩm công nghiệp, đặc biệt là trong thực phẩm và dược phẩm.

Trong thực tiễn, carrageenan thường được sử dụng như một chất phụ gia thực phẩm với mã quốc tế là E407 hoặc E407a (nếu là dạng bán tinh khiết). Chúng có khả năng tạo gel, làm đặc và ổn định nhũ tương trong các sản phẩm chứa nước và dầu. Carrageenan là lựa chọn phổ biến trong chế biến vì nguồn gốc thực vật, đáp ứng tiêu chuẩn ăn chay, thuần chay và không chứa gluten.

Hiện nay, ngành công nghiệp khai thác và sản xuất carrageenan tập trung tại một số quốc gia ven biển như Philippines, Indonesia và Tanzania, nơi có điều kiện thuận lợi để nuôi trồng rong đỏ quy mô lớn. Tổng sản lượng toàn cầu hàng năm đạt hàng trăm nghìn tấn, phản ánh tầm quan trọng ngày càng tăng của hợp chất này trong chuỗi cung ứng toàn cầu.

Cấu trúc hóa học và phân loại

Carrageenan là một polymer cao phân tử gồm các đơn vị galactose nối với nhau qua liên kết α-1,3 và β-1,4. Mỗi loại carrageenan khác nhau ở số lượng và vị trí nhóm sulfat gắn trên chuỗi, từ đó dẫn đến khác biệt lớn về đặc tính vật lý và hóa học. Sự hiện diện của nhóm sulfat làm cho carrageenan mang điện tích âm và dễ tương tác với ion kim loại.

Có ba loại carrageenan phổ biến nhất: kappa, iota và lambda. Mỗi loại có đặc điểm riêng:

• Kappa-carrageenan: Có một nhóm sulfat mỗi hai đơn vị đường. Tạo gel cứng, giòn với ion K⁺.
• Iota-carrageenan: Có hai nhóm sulfat mỗi hai đơn vị đường. Tạo gel mềm, dẻo với ion Ca²⁺.
• Lambda-carrageenan: Có ba nhóm sulfat, không tạo gel nhưng có độ nhớt cao, phù hợp làm chất làm đặc.

Các đặc điểm hóa lý nổi bật được tóm tắt trong bảng sau:

Loại carrageenan	Số nhóm sulfat	Khả năng tạo gel	Tương tác ion chính
Kappa	~25%	Cứng, giòn	K+
Iota	~30%	Mềm, dẻo	Ca2+
Lambda	>30%	Không tạo gel	Không cần ion

Công thức hóa học tổng quát của carrageenan được biểu diễn như sau:

$\text{[C}_{12}\text{H}_{18}\text{O}_{9}\text{S}_{n}\text{]}_x$

Nguồn gốc và quy trình chiết xuất

Quá trình chiết xuất carrageenan bắt đầu từ việc thu hoạch rong đỏ từ biển hoặc nuôi trồng trong ao biển. Sau đó, rong được rửa sạch, phơi khô, rồi nghiền nhỏ để đưa vào dây chuyền chiết xuất. Hai phương pháp chính được sử dụng hiện nay là:

1. Phương pháp nước nóng: Ngâm rong đỏ trong nước nóng ở nhiệt độ 70–90°C, tách carrageenan bằng cách hòa tan vào nước. Sau đó dung dịch được lọc và cô đặc.
2. Phương pháp cồn: Sau khi chiết bằng nước nóng, carrageenan được tách ra bằng cách thêm ethanol hoặc isopropanol để kết tủa hợp chất.

Dạng thu được sau chiết xuất gọi là carrageenan thô (semi-refined) nếu chưa tinh chế hoàn toàn, hoặc refined carrageenan nếu đã loại bỏ hết tạp chất như cellulose, protein và muối vô cơ. Các tiêu chuẩn quốc tế như CODEX và FAO/WHO quy định chặt chẽ về độ tinh khiết và giới hạn kim loại nặng cho sản phẩm carrageenan dùng trong thực phẩm.

Một số nhà máy hiện đại còn sử dụng enzyme để tăng hiệu suất chiết xuất hoặc áp dụng công nghệ siêu âm để rút ngắn thời gian xử lý. Các cải tiến này giúp tăng độ tinh khiết và giảm chi phí sản xuất, đồng thời đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về chất lượng.

Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm

Carrageenan là một trong những chất phụ gia quan trọng nhất trong ngành công nghiệp thực phẩm hiện đại. Với đặc tính tạo gel, tạo độ nhớt và ổn định, nó được ứng dụng rộng rãi trong hàng loạt sản phẩm tiêu dùng. Khả năng hoạt động tốt trong môi trường pH thấp và tương thích với protein sữa khiến carrageenan trở thành thành phần lý tưởng trong nhiều công thức chế biến.

Một số ứng dụng điển hình của carrageenan trong thực phẩm bao gồm:

• Ổn định sữa sôcôla và sữa đậu nành
• Tạo kết cấu dẻo cho pudding, thạch, kẹo dẻo
• Giữ nước và chống rỉ nước trong thịt nguội, xúc xích
• Làm chất thay thế gelatin trong sản phẩm thuần chay

Ngoài ra, carrageenan còn có khả năng cải thiện thời hạn sử dụng sản phẩm nhờ khả năng giữ ẩm và hạn chế sự tách pha giữa các thành phần lỏng và rắn. Điều này đặc biệt hữu ích trong các loại kem lạnh, sốt salad hoặc nước sốt đóng chai.

Carrageenan có thể tương tác với các protein trong sữa tạo thành cấu trúc lưới ba chiều, giúp giữ lại nước và tạo cảm giác miệng mịn màng. Nhờ đó, nhiều sản phẩm sữa ít béo vẫn duy trì được độ sánh mà không cần thêm chất béo.

Vai trò trong dược phẩm và mỹ phẩm

Carrageenan không chỉ có vai trò trong thực phẩm mà còn được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực dược phẩm nhờ đặc tính không độc, tương thích sinh học cao và khả năng tạo gel ở nồng độ thấp. Trong bào chế dược, carrageenan được dùng làm tá dược cho viên nén, gel bôi, siro và các hệ phân phối thuốc kiểm soát giải phóng.

Một trong những ứng dụng nổi bật là trong việc tạo gel mũi hoặc miệng có khả năng phòng ngừa và ức chế virus đường hô hấp. Iota-carrageenan được chứng minh có khả năng bất hoạt các chủng rhinovirus và coronavirus thông qua cơ chế vật lý, tạo màng bảo vệ ngăn virus tiếp cận tế bào. Thử nghiệm lâm sàng giai đoạn sớm đã cho kết quả tích cực trong việc giảm thời gian và mức độ nghiêm trọng của các triệu chứng cảm lạnh thông thường (PubMed: Grassauer et al., 2008).

Trong mỹ phẩm, carrageenan có mặt trong các sản phẩm kem dưỡng, mặt nạ, sữa rửa mặt và gel tạo kiểu tóc. Với khả năng giữ ẩm và làm đặc ở nồng độ thấp, carrageenan giúp cải thiện kết cấu và độ ổn định sản phẩm mà không gây nhờn rít. Ngoài ra, đặc tính tự nhiên và phân hủy sinh học khiến nó được ưa chuộng trong mỹ phẩm hữu cơ và sản phẩm chăm sóc da thuần chay.

Độc tính và an toàn sử dụng

Carrageenan đã được Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc (FAO), Cơ quan An toàn Thực phẩm châu Âu (EFSA) và Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) công nhận là phụ gia an toàn khi dùng trong giới hạn cho phép. Tuy nhiên, một số tranh cãi vẫn tồn tại, đặc biệt là về dạng carrageenan bị phân hủy gọi là poligeenan.

Poligeenan được tạo ra bằng cách xử lý carrageenan ở nhiệt độ và pH cực đoan trong thời gian dài, dẫn đến phân tử lượng thấp và độc tính cao. Dạng này không được phép sử dụng trong thực phẩm, nhưng thường bị nhầm lẫn trong một số báo cáo khoa học cũ. EFSA trong đánh giá năm 2018 đã khẳng định carrageenan thực phẩm không gây độc gen, không gây đột biến và không gây ung thư trong các thử nghiệm trên động vật (EFSA, 2018).

Các giới hạn sử dụng carrageenan trong thực phẩm do JECFA khuyến nghị:

Loại thực phẩm	Mức tối đa cho phép
Sản phẩm sữa (kem, sữa chua)	1000 mg/kg
Thịt chế biến	500 mg/kg
Đồ uống	300 mg/kg

Ảnh hưởng sinh học và tương tác với hệ tiêu hóa

Một số nghiên cứu trên động vật cho thấy carrageenan có thể gây viêm ruột hoặc thay đổi hệ vi sinh vật đường ruột nếu tiêu thụ ở liều cao hoặc dưới dạng đã bị phân hủy. Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu sử dụng poligeenan chứ không phải carrageenan thực phẩm.

Một bài tổng quan trên NCBI (Weiner, 2014) phân tích hơn 45 nghiên cứu và kết luận rằng không có đủ bằng chứng cho thấy carrageenan gây hại khi tiêu thụ ở liều thông thường. Đặc biệt, các nghiên cứu trên người không ghi nhận dấu hiệu viêm, dị ứng hay tác dụng phụ đáng kể ở người khỏe mạnh.

Tuy nhiên, một số nhóm nhạy cảm như người bị viêm đại tràng mãn tính hoặc hội chứng ruột kích thích (IBS) có thể phản ứng với carrageenan và được khuyến cáo nên hạn chế sử dụng. Vấn đề này vẫn cần thêm nghiên cứu lâm sàng để khẳng định rõ ràng.

Xu hướng nghiên cứu và phát triển

Carrageenan đang trở thành vật liệu sinh học tiềm năng trong nhiều ứng dụng công nghệ cao như:

• Hệ vận chuyển thuốc có kiểm soát nhờ cấu trúc gel phản ứng với pH
• In 3D sinh học để tạo mô mềm nhân tạo
• Màng sinh học phân hủy tự nhiên dùng cho bao bì thực phẩm
• Chất thay thế gelatin và agar trong sản phẩm chay và thuần chay

Một hướng đi mới là kết hợp carrageenan với các vật liệu nano (như nano bạc, nano oxit kẽm) để tạo thành hydrogel có tính kháng khuẩn, dùng trong điều trị vết thương hoặc bao gói kháng khuẩn. Nghiên cứu cũng đang mở rộng sang lĩnh vực nông nghiệp sinh học, nơi carrageenan được thử nghiệm như chất cảm ứng sinh lý giúp cây trồng tăng sức đề kháng.

Ngoài ra, các nhà khoa học còn nghiên cứu cải tiến quy trình chiết xuất thân thiện môi trường, tận dụng năng lượng tái tạo hoặc giảm sử dụng dung môi hóa học. Điều này nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về nguyên liệu "xanh" trong chuỗi cung ứng bền vững toàn cầu.

Kết luận

Carrageenan là một hợp chất sinh học có giá trị cao, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhờ đặc tính tạo gel, ổn định và an toàn sinh học. Với nguồn gốc thực vật và khả năng phân hủy tự nhiên, carrageenan phù hợp với xu hướng tiêu dùng hiện đại và bền vững.

Mặc dù tồn tại một số tranh cãi liên quan đến dạng bị phân hủy (poligeenan), các tổ chức y tế lớn trên thế giới đều công nhận carrageenan thực phẩm là an toàn trong phạm vi cho phép. Việc nghiên cứu sâu hơn về các tương tác sinh học và ứng dụng mới sẽ tiếp tục mở rộng tiềm năng của hợp chất này trong tương lai.

Tài liệu tham khảo

1. FAO. "Carrageenan Processing." https://www.fao.org/3/ac287e/AC287E08.htm
2. EFSA Journal. "Re-evaluation of carrageenan (E 407) and processed Eucheuma seaweed (E 407a)." https://www.efsa.europa.eu/en/efsajournal/pub/1504
3. US FDA. "Food Additive Status List." https://www.fda.gov/food/food-additives-petitions/food-additive-status-list
4. Campo, V.L. et al. (2009). "Carrageenans: Biological properties, chemical modifications and structural analysis – A review." Carbohydrate Polymers. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2008.11.008
5. Grassauer, A. et al. (2008). "Iota-Carrageenan is a potent inhibitor of rhinovirus infection." Virology Journal. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/19682714/
6. Weiner, M.L. (2014). "Safety of carrageenan in food." Regulatory Toxicology and Pharmacology. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6267288/