Nghiên cứu nâng cao hiệu suất trích ly gelatin từ da cá tra (Pangasius hypophthalmus) bằng kỹ thuật siêu âm

Bài viết Nghiên cứu nâng cao hiệu suất trích ly gelatin từ da cá tra (Pangasius hypophthalmus) bằng kỹ thuật siêu âm nghiên cứu xác định điều kiện trích ly có siêu âm nhằm nâng cao hiệu suất trích ly gelatin từ da cá tra (Pangasius hypophthalmus).

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 17, NO 7, 2019 15 NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU SUẤT TRÍCH LY GELATIN TỪ DA CÁ TRA (PANGASIUS HYPOPHTHALMUS) BẰNG KỸ THUẬT SIÊU ÂM RESEARCH ON INCREASING THE EXTRACTION YIELD OF GELATIN FROM PANGASIUS HYPOPHTHALMUS BY ULTRASONIC Nguyễn Thị Ngọc Hợi, Huỳnh Thành Đạt Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm thành phố Hồ Chí Minh; hoi83bmt@gmail.com, datdd.vn@gmail.com Tóm tắt - Nghiên cứu xác định điều kiện trích ly có siêu âm nhằm nâng cao hiệu suất trích ly gelatin từ da cá tra (Pangasius hypophthalmus) Da cá tra thu nhận từ Công ty CP Thủy sản Sơng Tiền trích ly gelatin có siêu âm với điều kiện nhiệt độ, cơng suất, thời gian khác Mẫu da cá tra trích ly có siêu âm điều kiện 45oC, cơng suất siêu âm 150W 2h cho hiệu suất thu hồi gelatin tốt cao 33,58% so với mẫu trích ly khơng siêu âm điều kiện nhiệt độ thời gian Kết khẳng định, việc ứng dụng kỹ thuật siêu âm trích ly gelatin giúp nâng cao hiệu suất tách chiết gelatin, từ giảm chi phí sản xuất mà cịn thúc đẩy ngành công nghiệp gelatin phát triển theo hướng thân thiện với mơi trường Cần có nghiên cứu sâu nhằm tối ưu điều kiện trích ly có siêu âm nguyên liệu da cá tra, đồng thời mở rộng nghiên cứu nguyên liệu khác Abstract - This study is conducted to determine the appropriate extract conditions using ultrasonic technique to improve gelatin extraction efficiency from Pangasius hypophthalmus Catfish skin was collected from Song Tien fishery joint stock company - Chau Thanh district - Tien Giang province, followed by pre-treatment, demineralization and gelatin extraction using ultrasonic technique under conditions of different temperature, ultrasonic capacity and time The results show that catfish skin extracted with ultrasonic at temperature of 45oC, capacity of 150W in hours get the best hydroxyproline recovery and 33.58% higher compared to the extracted-without-ultrasonic sample This finding confirms the application of ultrasonic technique in gelatin extraction which not only significantly enhances gelatin extraction efficiency and reduces the production cost, but also promotes gelatin industry to develop in an eco-friendly and sustainable way More in-depth studies are needed to investigate the effect of ultrasonic on gelatin quality, optimize ultrasonic extract conditions for catfish skin, and expand research on other materials Từ khóa - Da cá tra; hiệu suất thu hồi; gelatin; siêu âm; trích ly Key words - Catfish skin; extraction; gelatin; extraction yield; ultrasonic Đặt vấn đề Gelatin hỗn hợp peptide protein hình thành từ thủy phân phần collagen Đây loại biopolymers phổ biến ứng dụng rộng rãi nhiều ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm nhiếp ảnh tính chất chức đặc trưng chúng Sản lượng gelatin toàn giới đạt 412,7 nghìn vào năm 2015 nhu cầu tiếp tục tăng lên Những năm trước đây, gelatin chủ yếu trích ly từ da xương loài gia súc lợn Tuy nhiên, ngun nhân dịch bệnh (bị điên, lở mồm long móng) vấn đề tơn giáo, nhà khoa học tập trung nghiên cứu để tìm nguồn gelatin thay Da, xương, vây, vảy loài cá, da gà, da ếch, da mực, đặc biệt cá da trơn … sử dụng nguồn thay (A.A Karim cộng sự, 2009) Cá tra mặt hàng thủy sản xuất chủ lực Việt Nam với tổng sản lượng khoảng 1,2 triệu xuất đạt 1,8 tỉ USD năm 2017 (VASEP, 2019) Tuy nhiên, sản phẩm (thịt) quy trình chế biến cá chiếm khoảng 30%, lại 70% phụ phế phẩm da, xương, vây nội tạng Lượng phế phẩm thường bị thải bỏ, dùng sản xuất thức ăn gia súc sản xuất phân bón Phụ phẩm da cá tra nhiều nhà khoa học Việt Nam nghiên cứu đưa quy trình khai thác collagen gelatin (C.X Thuy cộng sự, 2014; Quản Lê Hà cộng sự, 2010; Lê Thanh Hà cộng sự, 2008) Quy trình trích ly gelatin từ da cá tra Công ty Cổ phần Vĩnh Hoàn Collagen triển khai sản xuất quy mô công nghiệp Các nghiên cứu ứng dụng Việt Nam chủ yếu sử dụng hóa chất enzyme để trích ly gelatin từ ngun liệu thơ Trong cơng nghiệp thực phẩm, kỹ thuật siêu âm thường ứng dụng tác nhân hỗ trợ trình nhũ hóa, đồng hóa, kết tinh, trích ly, sấy, tiệt trùng … với ưu điểm hiệu khuấy trộn cao, truyền lượng truyền khối nhanh, tiết kiệm lượng, thiết bị nhỏ gọn, thời gian sản xuất ngắn, tăng suất giảm chi phí sản xuất (Bermúdez-Aguirre D cộng sự, 2011) Trên giới, kỹ thuật siêu âm nhà khoa học nghiên cứu ứng dụng trích ly gelatin nhằm thay phần hồn tồn hóa chất enzyme vốn không thân thiện với môi trường và/hoặc có chi phí sản xuất cao (Shekhar U Kadam cộng sự, 2015) Tuy nhiên Việt Nam, nhóm tác giả chưa tìm thấy nghiên cứu cơng bố việc ứng dụng kỹ thuật siêu âm trích ly gelatin Nghiên cứu này, tiến hành xác định điều kiện trích ly ứng dụng kỹ thuật siêu âm thích hợp nhằm nâng cao hiệu suất thu hồi gelatin từ da cá tra Việt Nam (Pangasius hypophthalmus), góp phần giảm chi phí sản xuất, thúc đẩy ngành cơng nghiệp gelatin Việt Nam phát triển theo hướng thân thiện môi trường bền vững Giải vấn đề 2.1 Vật liệu nghiên cứu Da cá tra (Pangasius hypophthalmus) thu nhận từ Công ty Cổ phần Thủy sản Sông Tiền – 153 Tỉnh Lộ 864, Ấp Tân Thuận, Xã Bình Đức, huyện Châu Thành, tỉnh Tiền Giang Da cá nguyên liệu rửa nhiều lần vòi nước, cắt thành miếng nhỏ có kích thước khơng q 0,5cm, Nguyễn Thị Ngọc Hợi, Huỳnh Thành Đạt 16 chia vào túi zip khoảng 50g/túi lưu trữ -20 C không tháng để sử dụng làm mẫu cho lần thí nghiệm Hóa chất sử dụng nghiên cứu kit xác định hàm lượng Hydroxyproline K555 hãng BioVision, hóa chất khác đạt chất lượng cấp phân tích Thiết bị tạo sóng siêu âm sử dụng nghiên cứu Sonics Ultracell VC750 (20kHz - 750W) 2.2 Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp phân tích sử dụng nghiên cứu gồm: xác định độ ẩm AOAC 950.46, xác định hàm lượng tro AOAC 920.153, xác định hàm lượng protein AOAC 992.15, xác định hàm lượng lipid AOAC 991.36 2.3 Quy trình trích ly gelatin Mẫu da cá (10g) khử nitơ phi protein khử khoáng cách ngâm tỉ lệ 1:8 (w/v) với dung dịch NaOH 0,1N 30 phút, tiếp sau dung dịch acetic acid 0,03N nhiệt độ ÷ 10 oC (Nguyễn Đỗ Quỳnh cộng sự, 2015) Da cá sau trích ly có siêu âm nước với tỉ lệ 1:8 (w/v) với điều kiện nhiệt độ, thời gian công suất siêu âm khác nhau, hỗn hợp sau trích ly lọc chân khơng để thu dịch chiết Dịch chiết gelatin cô đặc thiết bị cô quay chân không, làm khô thiết bị đông khô để thu gelatin thành phẩm Theo kết nhóm nghiên cứu Tao Huang cộng (2017), khảo sát trích ly có hỗ trợ siêu âm với công suất 200W mức nhiệt 60, 70 80oC, sản phẩm gelatin thu có tính chất lưu biến tốt điều kiện 200W 60oC Mặt khác, theo kết nghiên cứu M Sompie cộng (2015) ảnh hưởng nhiệt độ trích ly mức 50, 55, 60oC đến tính chất lưu biến gelatin da lợn điều kiện tốt thu 55oC Trong đó, gelatin từ cá sống vùng nước ấm có tính chất tương tự gelatin từ động vật có vú (George Ninan cộng sự, 2014) Do vậy, nhóm tác giả lựa chọn khảo sát điều kiện trích ly có siêu âm mức nhiệt độ 30, 45, 60oC công suất siêu âm 75, 150, 225 300W nhằm thu gelatin có tính chất lưu biến tốt Ngồi ra, để đảm bảo việc trì nhiệt độ mong muốn suốt q trình trích ly đầu phát siêu âm đặt chế độ 30 giây bật/30 giây tắt thời gian trích ly có hỗ trợ siêu âm khảo sát 1, (Kim, H.K cộng sự, 2012) Tiêu chí khảo sát điều kiện trích ly có hỗ trợ siêu âm hiệu suất thu hồi gelatin cao Gelatin chứa lượng lớn hydroxyproline - acid amin nonproteinogenic phổ biến, định lượng gelatin thông qua định lượng hydroxyproline (GMIA, 2019) 2.4 Phương pháp xác định hiệu suất thu hồi hydroxyproline Hydroxyproline định lượng theo phép thử Hydroxyproline Colometric Assay Kit Catalog #K555-100 hãng Bio Vision (Bio Vision, 2018), mô tả ngắn gọn sau: Đồng 10mg da cá nguyên liệu/gelatin thu 100μl nước cất Thêm 100μl HCl đậm đặc (~ 12N) lọ có nắp đậy kín thủy phân 120°C Vortex ly tâm với tốc độ 10.000g Chuyển 10μl mẫu thủy phân vào đĩa 96 giếng bay đến khơ chân khơng Sau thêm 100μl thuốc thử Cloramine T vào giếng ủ nhiệt độ phòng phút Tiếp theo thêm 100μl thuốc thử DMAB vào giếng ủ 90 phút 60°C Đo độ hấp thụ 560nm máy o đọc khay vi thể Đường chuẩn xây dựng tương tự cách thêm hydroxyproline chuẩn nồng độ từ đến 1,0μg vào giếng có chứa mẫu với bước nhảy 0,2μg/lần tăng nồng độ Lượng hydroxyproline giếng (μg/μl) tính theo cơng thức (1): 𝐻𝑦𝑝 = 𝑂𝐷𝑚ẫ𝑢 (𝑂𝐷𝑆𝑡𝑑 𝐻𝑦𝑝+𝑚ẫ𝑢 −𝑂𝐷𝑚ẫ𝑢 )×𝑉 ×𝐷 (1) Trong đó: Hyp nồng độ hydroxyproline giếng phản ứng, đơn vị μg/μl; ODmẫu giá trị độ hấp thụ giếng mẫu; ODStd+mẫu giá trị độ hấp thụ giếng chứa mẫu hydroxyproline chuẩn Hiệu suất thu hồi hydroxyproline tính theo cơng thức (2): 𝐻𝑆𝑇𝐻ℎ𝑦𝑝 = 𝐻𝑦𝑝/𝑔𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑛 𝐻𝑦𝑝/𝑐𝑎𝑑𝑎 × 100% (2) Trong đó: HSTHhyp hiệu suất thu hồi hydroxyproline; Hyp/gelatin nồng độ hydroxyproline giếng chứa mẫu gelatin thu được; Hyp/daca nồng độ hydroxyproline giếng chứa mẫu da cá nguyên liệu 2.5 Phương pháp xử lý số liệu Các thí nghiệm lặp lại lần, kết tính giá trị trung bình ± SD, xử lý thống kê ANOVA với mức ý nghĩa 5%, lập bảng, biểu phần mềm GraphPad Prism Kết nghiên cứu bình luận 3.1 Thành phần hóa học hàm lượng hydroxyproline da cá tra Kết phân tích thành phần hóa học hàm lượng hydroxyproline da cá tra nguyên liệu trình bày Bảng Bảng Thành phần hóa học da cá tra STT Chỉ tiêu Hàm lượng tính theo ngun liệu thơ (g/100g) Hàm lượng tính theo chất khơ (%) Ẩm độ 57,05 ± 0,26 Khoáng 0,45 ± 0,15 1,05 ± 0,35 Lipid 8,35 ± 0,46 19,44 ± 1,07 Protein 34,15 ± 0,38 79,51 ± 0,88 Hydroxyproline 4,49 ± 0,82 10,45 ± 1,91 Thành phần chủ yếu da cá tra nguyên liệu ẩm, protein lipid So sánh với da cá trê – lồi cá họ da cá tra Việt Nam có hàm lượng lipid cao hơn, hàm lượng protein khống thấp (tính theo chất khơ), nhiên khác biệt không đáng kể (V Sanaei Ardekani cộng sự, 2013) So sánh với xương cá tra da cá tra có hàm lượng lipid protein cao hơn, hàm lượng khống thấp (tính theo chất khơ), đồng thời khác biệt protein khoáng rõ rệt (F Mahmoodani cộng sự, 2012) Kết phân tích da cá tra Việt Nam có hàm lượng protein tổng hydroxyproline tương đối cao, đồng thời hàm lượng khoáng thấp lần khẳng định da cá tra Việt Nam nguồn nguyên liệu tốt để khai thác gelatin 3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ trích ly có siêu âm đến hiệu suất thu hồi hydroxyproline Tiến hành trích ly gelatin điều kiện cơng suất siêu âm 75W thời gian mức nhiệt độ 30, 45 ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 17, NO 7, 2019 60 C Hiệu suất thu hồi hydroxyproline mức nhiệt độ khảo sát trình bàyData1 Hình o 70 30oC 60 50 45oC 40 60oC 30 20 10 17 da cá thơi nhiễm vào dịch chiết q trình trích ly, điều làm giảm giá trị cảm quan chất lượng gelatin thành phẩm Do đó, điều kiện trích ly với cơng suất 150W lựa chọn để tiến hành khảo sát 3.4 Ảnh hưởng thời gian trích ly có siêu âm đến hiệu suất thu hồi hydroxyproline Da cá tra trích ly nhiệt độ 45 oC với công suất 150W khoảng thời gian 1, Hiệu suất thu hồi hydroxyproline mẫu nghiệm thức tính tốn trìnhData bày Hình 3 o 30 C o 45 C o 60 70 C Hình Ảnh hưởng nhiệt độ trích ly có siêu âm đến hiệt suất thu hồi hydroxyproline với công suất siêu âm 75W Hiệu suất thu hồi hydroxyproline tăng đáng kể từ 10,00% lên đến 29,46% nhiệt độ siêu âm tăng từ 30oC lên 45oC, sau giảm nhẹ nhiệt độ siêu âm tăng đến 60oC Nguyên nhân da cá tra nguyên liệu qua công đoạn xử lý NaOH CH3COOH nên cấu trúc phân tử collagen da trở nên lỏng lẻo dễ dàng bị cắt đứt tạo thành gelatin Đồng thời phân tử gelatin dễ dàng hòa tan vào dịch chiết khoảng nhiệt độ 45 ÷ 60oC Tuy nhiên, khơng có khác biệt ý nghĩa thống kê mẫu 45 60oC (p