Vetikad. Geelid. Tarrendid.
Käesoleval aasta Ӱ Ülikooli silmapaistvaima publikatsiooni, õpiku ja loomingulise projekti konkurssi täppisteadustealase artikli kategoorias ja TLÜ üliõpilaste teadustööde üleülikoolilisele konkurssi teaduspublikatsioonide kategoorias Terve ja jätkusuutlik eluviis tunnistati parimaks teadusartikliks ”Monocationic salts of carrageenans: Preparation and physico-chemical properties“ (DOI: dx.doi.org/10.1016/j.foodhyd.2016.09.032), mis on avaldatud oma ala mainekas ajakirjas Food Hydrocolloids.
Punavetikatest saadavad tardained, agarid (E406) ja karraginaanid (E407), on oma olemuselt polüsuhkrud, peamiselt mõnesajast tuhandest kuni mõnest miljoninist galaktoosijäägist koosnevad amorfsed biopolümeerid, mille kuumad 0,15-2,5% vesilahused moodustavad jahtumisel tardeid. Erinevalt valgulise koostisega želatiinist, on vetikapolügalaktaani geelid reeglina termopööratavad st tarrendi uuesti üles kuumutamisel ja jahtumisel moodustab see peaaegu sama tugeva geeli nagu esialgu.
Võrreldes karraginaanidega (nim. ka karrageenideks), mida tänapäeval tuntakse umbes 15 tüüpi (peamised on kapa- ioota- ja lambda-karraginaan), annavad agaroosid tugevaid, kuid samas ka rabedamaid tarrendeid. Seevastu karraginaanid moodustavad tavaliselt nõrgemaid ja elastsemaid geele, mistõttu karraginaani tarrendid tunduvad suus närimisel ja neelamisel meeldivamad.
Agarooside ja karraginaanide geelide formeerumine on keeruline ja paljude erinevate protsesside tulemus, mille tagajärel moodustub polümeerahelatest ruumiline võrgustik.
Põhjus, miks agaroosid moodustavad tihedamaid ja jäigemaid võrgustikke kui karraginaanid, peitub aga nende biopolümeeride molekulaarstruktuuris – agaroosis on galaktsooijäägid D- ja L-isomeeridena, karraginaanides on kõik ainult D-isomeeridena. Ka ekslikult Eesti agariks (nn Est-agar) nimetatav tardaine on tegelikult omaduste ja oma monomeeride konfiguratsiooni poolest hoopis karraginaan (täpsemalt nn. furtsellaraan, mida eraldatakse Eesti vetes kasvavast punavetikast Furcellaria lumbricalis).
Lisaks sellele sisaldavad karraginaani polümeerahelad negatiivselt laetud sulfaatestriterühmasid, mis tõmbavad enda külge positiivselt laetud ioone, katioone (nt metalliioone). Selle asjaolu tõttu on karraginaanide ja nende geelide omadused mõjutatud mineraalainete koostisest ja sisaldusest. Karraginaanid sisaldavad reeglina erinevaid katioone, peamiselt Na+, Ca2+, Mg2+ ja K+-ioone; neid katioone leidub enim ka merevees.
Kõnealuses artiklis vaadeldi, millised on karraginaanide (kapa-, ioota, lambda-karraginaan, furtsellaraan) omadused aga siis kui need sisaldavad vaid üht tüüpi katioone (NH4+, Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, Mg2+, Ca2+, Sr2+ või Ba2+). Oli mõneti ootuspärane, et üht tüüpi katioone sisaldava karraginaani omadused erinevad kommertsiaalsetest toodetest, mis reeglina sisaldavad palju erinevaid ioone. Ka uuringu tulemusena selgus, et karraginaanid, mis sisaldavad üheaegselt nii ühe- kui ka kahevalentseid katioone, geelistuvad paremini, seda eriti kapa-karraginaani puhul võrreldes furtsellaraaniga. Seega kui soovitakse saada karraginaanist pigem tugevamaid geele kui viskoosseid lahuseid, siis peaks see just sisaldama rohkem erinevaid ioone, eelistatult siiski K+ ja Ca2+-ioone.
Huvitava näitena võib esile tuua ka Rb+ ja Sr2+-ioonide sünergistlikku toimet kapa-karraginaani geeli tugevusele – nende ioonide esinemine võrdsetes kogustes põhjustab väga tugeva geeli tekke, mis ületab isegi 1,5% agaroosgeeli tugevuse. Kuna karraginaan käitub negatiivselt laetud sulfaatestriterühmade sisalduse tõttu nagu polüelektrolüüt, siis kontrolliti üht tüüpi katioone sisaldava karraginaanigeelide omadusi ka erinevatel pH-väärtustel. Nii moodustab näiteks aluselises keskkonnas tugevaid geele ainult Ba2+-ioone sisaldav kapa-karraginaan ja furtsellaraan, aga happelises keskkonnas annavad tugevaid geele hoopis Rb+- ja Cs+-ioone sisaldavad preparaadid. Viimati nimetatud katioonide mürgisuse tõttu pole nende kõrge sisaldus muidugi lubatav toiduainetööstuses kasutavates preparaatides.
Ainult üht tüüpi katioone sisaldavate karraginaanide valmistamise meetodeid on erinevaid, mis paraku teeb erinevate uurimisgruppide poolt valmistatud karraginaaniproovide omavahelise võrdluse keeruliseks või lausa võimatuks, sest valmistamismeetodist oleneb kui palju suudeti karraginaaniahelaga katioone siduda ning vähem tähtis pole seejuures ka polümeeri esialgse suuruse säilitamine. Ka viimane asjaolu mõjutab karraginaani omadusi – mida suurem on karraginaani polümeeriahel, seda tugevama geeli see annab. Näiteks üsna laialdaselt kasutatav meetod, mis kätkeb endas viimase etapina karraginaanipreparaadi puhastust rohke dialüüsiga puhtas vees, põhjustab selle karraginaani iseeneslikku lagunemist, kuna katioonid leostuvad polüsahhariidiahelast välja. Seega mängivad katioonid olulist rolli ka karraginaanide säilimisel – mida rohkem ja tugevamini need polümeerahelaga seotud on, seda stabiilsem on karraginaan.
Kõnealuse artikli üheks põhiväärtuseks ongi just see, et valmistati usaldusväärsed ja omavahel võrreldavad karraginaaniproovid, mille vaid üht tüüpi katioonide sisaldus vastas ka sulfaatestriterühmade arvule ning proove analüüsiti ühesugustes tingimustes.
Lõpetuseks see kõige olulisem – milleks seda kõike on vaja teada? Siinkohal tuleks karraginaane vaadelda eelkõige materjalina. Enne selle kasutamist on vaja tundma õppida, kuidas materjal erinevates tingimustes käitub ja säilub, vastavalt sellele saab välja valida ja ka ette ennustada nende kõige sobivama vormi rakenduste jaoks.
Kokkuvõtte artiklist kirjutas Marju Robal (TLÜ nooremteadur). Artikli autorite hulka kuuluvad veel teadlased Taani ja Jaapani ülikoolidest ning Ӱ ÜǴDZ veel Kalle Truus ja Rando Tuvikene.
Punavetikatest saadavad tardained, agarid (E406) ja karraginaanid (E407), on oma olemuselt polüsuhkrud, peamiselt mõnesajast tuhandest kuni mõnest miljoninist galaktoosijäägist koosnevad amorfsed biopolümeerid, mille kuumad 0,15-2,5% vesilahused moodustavad jahtumisel tardeid. Erinevalt valgulise koostisega želatiinist, on vetikapolügalaktaani geelid reeglina termopööratavad st tarrendi uuesti üles kuumutamisel ja jahtumisel moodustab see peaaegu sama tugeva geeli nagu esialgu.
Võrreldes karraginaanidega (nim. ka karrageenideks), mida tänapäeval tuntakse umbes 15 tüüpi (peamised on kapa- ioota- ja lambda-karraginaan), annavad agaroosid tugevaid, kuid samas ka rabedamaid tarrendeid. Seevastu karraginaanid moodustavad tavaliselt nõrgemaid ja elastsemaid geele, mistõttu karraginaani tarrendid tunduvad suus närimisel ja neelamisel meeldivamad.
Agarooside ja karraginaanide geelide formeerumine on keeruline ja paljude erinevate protsesside tulemus, mille tagajärel moodustub polümeerahelatest ruumiline võrgustik.
Põhjus, miks agaroosid moodustavad tihedamaid ja jäigemaid võrgustikke kui karraginaanid, peitub aga nende biopolümeeride molekulaarstruktuuris – agaroosis on galaktsooijäägid D- ja L-isomeeridena, karraginaanides on kõik ainult D-isomeeridena. Ka ekslikult Eesti agariks (nn Est-agar) nimetatav tardaine on tegelikult omaduste ja oma monomeeride konfiguratsiooni poolest hoopis karraginaan (täpsemalt nn. furtsellaraan, mida eraldatakse Eesti vetes kasvavast punavetikast Furcellaria lumbricalis).
Lisaks sellele sisaldavad karraginaani polümeerahelad negatiivselt laetud sulfaatestriterühmasid, mis tõmbavad enda külge positiivselt laetud ioone, katioone (nt metalliioone). Selle asjaolu tõttu on karraginaanide ja nende geelide omadused mõjutatud mineraalainete koostisest ja sisaldusest. Karraginaanid sisaldavad reeglina erinevaid katioone, peamiselt Na+, Ca2+, Mg2+ ja K+-ioone; neid katioone leidub enim ka merevees.
Kõnealuses artiklis vaadeldi, millised on karraginaanide (kapa-, ioota, lambda-karraginaan, furtsellaraan) omadused aga siis kui need sisaldavad vaid üht tüüpi katioone (NH4+, Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, Mg2+, Ca2+, Sr2+ või Ba2+). Oli mõneti ootuspärane, et üht tüüpi katioone sisaldava karraginaani omadused erinevad kommertsiaalsetest toodetest, mis reeglina sisaldavad palju erinevaid ioone. Ka uuringu tulemusena selgus, et karraginaanid, mis sisaldavad üheaegselt nii ühe- kui ka kahevalentseid katioone, geelistuvad paremini, seda eriti kapa-karraginaani puhul võrreldes furtsellaraaniga. Seega kui soovitakse saada karraginaanist pigem tugevamaid geele kui viskoosseid lahuseid, siis peaks see just sisaldama rohkem erinevaid ioone, eelistatult siiski K+ ja Ca2+-ioone.
Huvitava näitena võib esile tuua ka Rb+ ja Sr2+-ioonide sünergistlikku toimet kapa-karraginaani geeli tugevusele – nende ioonide esinemine võrdsetes kogustes põhjustab väga tugeva geeli tekke, mis ületab isegi 1,5% agaroosgeeli tugevuse. Kuna karraginaan käitub negatiivselt laetud sulfaatestriterühmade sisalduse tõttu nagu polüelektrolüüt, siis kontrolliti üht tüüpi katioone sisaldava karraginaanigeelide omadusi ka erinevatel pH-väärtustel. Nii moodustab näiteks aluselises keskkonnas tugevaid geele ainult Ba2+-ioone sisaldav kapa-karraginaan ja furtsellaraan, aga happelises keskkonnas annavad tugevaid geele hoopis Rb+- ja Cs+-ioone sisaldavad preparaadid. Viimati nimetatud katioonide mürgisuse tõttu pole nende kõrge sisaldus muidugi lubatav toiduainetööstuses kasutavates preparaatides.
Ainult üht tüüpi katioone sisaldavate karraginaanide valmistamise meetodeid on erinevaid, mis paraku teeb erinevate uurimisgruppide poolt valmistatud karraginaaniproovide omavahelise võrdluse keeruliseks või lausa võimatuks, sest valmistamismeetodist oleneb kui palju suudeti karraginaaniahelaga katioone siduda ning vähem tähtis pole seejuures ka polümeeri esialgse suuruse säilitamine. Ka viimane asjaolu mõjutab karraginaani omadusi – mida suurem on karraginaani polümeeriahel, seda tugevama geeli see annab. Näiteks üsna laialdaselt kasutatav meetod, mis kätkeb endas viimase etapina karraginaanipreparaadi puhastust rohke dialüüsiga puhtas vees, põhjustab selle karraginaani iseeneslikku lagunemist, kuna katioonid leostuvad polüsahhariidiahelast välja. Seega mängivad katioonid olulist rolli ka karraginaanide säilimisel – mida rohkem ja tugevamini need polümeerahelaga seotud on, seda stabiilsem on karraginaan.
Kõnealuse artikli üheks põhiväärtuseks ongi just see, et valmistati usaldusväärsed ja omavahel võrreldavad karraginaaniproovid, mille vaid üht tüüpi katioonide sisaldus vastas ka sulfaatestriterühmade arvule ning proove analüüsiti ühesugustes tingimustes.
Lõpetuseks see kõige olulisem – milleks seda kõike on vaja teada? Siinkohal tuleks karraginaane vaadelda eelkõige materjalina. Enne selle kasutamist on vaja tundma õppida, kuidas materjal erinevates tingimustes käitub ja säilub, vastavalt sellele saab välja valida ja ka ette ennustada nende kõige sobivama vormi rakenduste jaoks.
Kokkuvõtte artiklist kirjutas Marju Robal (TLÜ nooremteadur). Artikli autorite hulka kuuluvad veel teadlased Taani ja Jaapani ülikoolidest ning Ӱ ÜǴDZ veel Kalle Truus ja Rando Tuvikene.