Gelatin từ da cá

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐHQG TpHCM KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BÁO CÁO CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN THỊT – THỦY SẢN ĐỀ TÀI GELATIN TỪ DA CÁ GVHD Th S Nguyễn Thị Hiền SVTH HC07TP CHƯƠNG I G[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA-ĐHQG TpHCM KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BÁO CÁO CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN THỊT – THỦY SẢN ĐỀ TÀI: GELATIN TỪ DA CÁ GVHD: Th.S Nguyễn Thị Hiền SVTH: HC07TP CHƯƠNG I: GELATIN 1.1 Giới thiệu chung Gelatin sản phẩm thu từ collagen Sản phẩm gelatin thương mại xuất Hà Lan vào khoảng năm 1685, sau xuất Anh vào khoảng năm 1700 Cuối kỷ 19, ngành công nghiệp sản xuất gelatin xuất hiện, làm tăng thêm ứng dụng ổn định tính chất sản phẩm Năm 1850, cơng nghiệp sản xuất gelatin xuất Mỹ Nguồn nguyên liệu lúc da chưa thuộc xương Đến năm 1930, ngành sản xuất phát triển mạnh mẽ da heo xem nguồn nguyên liệu Trong công nghiệp thực phẩm, gelatin loại keo ưa nước hợp chất cao phân tử tan nước sử dụng tác nhân tạo gel, tạo độ đặc tác nhân ổn định cấu trúc Gelatin khác với loại keo khác chỗ hầu hết loại keo khác polysaccharide (như carrageenan, pectin, agar,…) gelatin lại loại protein chứa tất acid amin thiết yếu ngoại trừ tryptophane Hiện nay, lượng gelatin sản xuất hàng năm giới ước tính khoảng 2000 lượng gelatin sử dụng thực phẩm năm tăng khoảng 3%, chủ yếu sản xuất bánh kẹo thực phẩm lượng thấp 1.2 Định nghĩa Gelatin polypeptit cao phân tử thu nhận từ collagen - thành phần protein chủ yếu mô liên kết động vật - bao gồm xương, da gân Tên “gelatin” sử dụng phổ biến từ khoảng năm 1700 có nguồn gốc từ chữ Latin “gelatus” Thuật ngữ gelatin dùng để đề cập đến tác nhân tạo gel nói chung lại riêng dùng để nói đến vật liệu protein tạo từ collagen bị thoái hoá nhiệt 1.3 Cấu tạo Cấu trúc phân tử gelatin gồm có 18 amino acid khác liên kết với theo trật tự xác định, tuần hoàn, tạo nên chuỗi polypeptide với khoảng 1000 acid amin, hình thành nên cấu trúc bậc Chuỗi peptide có chiều dài khác phụ thuộc nguồn nguyên liệu, chuỗi có đầu nhóm amino, đầu nhóm carboxyl Cấu trúc thường gặp gelatin Gly – X – Y (với X chủ yếu nhóm proline cịn Y chủ yếu nhóm hydroxyproline) Hình 1.1 Cấu trúc Gly – X – Y thường gặp gelatin Gelatin chứa nhiều nhóm glycine, proline 4-hydroxyproline Cấu trúc chuỗi gelatin là: – Ala – Gly – Pro – Arg – Gly – Glu – Hyp – Gly – Pro Hình 1.2 Cấu trúc gelatin Cứ chuỗi polypeptide xoắn lại theo hình xoắn ốc tạo nên cấu trúc bậc Ở cấu trúc bậc 3, chuỗi xoắn tự xoắn quanh nó, tạo nên cấu trúc phân tử dạng dây thừng, gọi proto fibril Trong phân tử gelatine có số nhóm tích điện: carboxyl, imidazole, amino, guanidino Tỷ lệ nhóm ảnh hưởng đến pH pI gelatin Ngồi cịn nhóm khơng mang điện tích nhóm hydroxyl (serine, threonine, hydroxyproline, hydroxylysine, tyrosine) nhóm peptide (-CO-NH-) quy định khả tạo liên kết hydro, quy định cấu trúc phân tử 1.4 Thành phần Tất acid amin có mặt protein diện gelatin ngoại trừ tryptophane cystine phát vết chúng Bảng 1.1 Thành phần acid amin thu thủy phân 100g mẫu gelatin Acid amin Khối lượng (gam) Glycine 26 – 31 Alanine – 11 Valine 2,6 – 3,4 Leucine 3,0 – 3,5 Isoleucine 1,4 – Phenylalanine 2–3 Trytophane - Serine 2,9 – 4,2 Threonine 2,2 – 4,4 Tyrosine 0,2 – Proline 15 – 18 Hydroxyproline 13 – 15 Methionine 0,7 – Cysteine - Cystine vết Lysine 4–5 Arginine 8–9 Histidine 0,7 – Acid aspartic 6–7 Acid glutamic 11 – 12 Hydroxylysine 0,8 – 1,2 Hình 1.3 Thành phần phần trăm acid amin gelatin 1.5 Phân loại Có nhiều cách để phân loại gelatin tùy thuộc vào phương pháp sản xuất, nguyên liệu, đặc tính sản phẩm… Sau vài cách phân loại bản: 1.5.1 Phân loại dựa theo nguồn gốc nguyên liệu Có loại như: - Gelatin có nguồn gốc động vật: gelatin sản xuất từ da, xương, gân động vật có vú - Gelatin cá: gelatin sản xuất từ da loại cá cá tuyết, cá trắm cỏ… Gelatin từ cá có hàm lượng proline hydroxyproline thấp nên có nhiệt độ tạo gel thấp (vì số liên kết hidro hình thành thấp) 1.5.2 Phân loại dựa theo phương pháp sản xuất Có loại: - Gelatin loại A: Quá trình sản xuất xử lý acid, dùng sản xuất gelatin từ da heo - Gelatin loại B: Quá trình sản xuất xử lý kiềm, dùng sản xuất gelatin từ da xương gia súc 1.5.3 Phân loại dựa theo cấu trúc phân tử Có loại: - Gelatin thuỷ phân: gelatin khả tạo gel bị thủy phân thành polypeptit mạch ngắn Các sản phẩm thủy phân tạo cách sử dụng enzym thực q trình thủy phân, sau tiệt trùng, đặc cuối sấy phun Không giống protein khác, sản phẩm thủy phân từ gelatin khơng có vị đắng nên sử dụng cho nhiều sản phẩm thực phẩm: chất tạo cấu trúc cho sản phẩm sữa, chất tạo nhũ công nghệ chế biến sản phẩm từ thịt, nguồn protein thực phẩm ăn kiêng, chất mang trình tạo hạt mà khơng làm biến đổi tính chất vật lí, hóa học hạt, chất tạo bọt… - Gelatin ester hoá: gelatin ester hoá acid béo, giúp cải thiện khả tạo nhũ, mở rộng chức sinh học acid béo (một số acid béo bổ sung trực tiếp vào thực phẩm mùi vị kém, dễ bị oxy hố, khơng tan nước… Q trình ester hố gelatin giúp bổ sung acid béo vào thực phẩm) - Gelatin tan nước lạnh (gelatin sử dụng liền – instant gelatins): loại gelatin sấy khơng qua pha tạo gel, có cấu trúc vơ định hình, khơng tạo tinh thể Cấu trúc vơ định hình gelatin loại cho phép trương nở nhanh mạnh Mạng phân tử ba chiều liên kết lỏng lẻo, xếp phân tử hoàn toàn ngẫu nhiên, lực liên kết phân tử lực liên kết nội phân tử yếu nên nước dễ dàng xâm nhập vào cấu trúc phân tử với lượng lớn tạo thành cấu trúc tương tự gel Loại gelatin hút ẩm mạnh khó tạo gel nồng độ thấp 1.6 Tính chất Gelatin chất rắn dạng miếng, vảy, bột hạt, khơng mùi, khơng vị, suốt, có màu từ vàng nhạt đến màu trắng Ở nhiệt độ thường độ ẩm thường, gelatin chứa từ 9-12% ẩm có tỉ trọng riêng từ 1,3-1,4 Các hạt gelatin rắn ngâm nước hút nước trương nở Gelatin hấp thu lượng nước gấp 5-10 lần khối lượng Khi gia nhiệt, gelatin hydrat hóa nhanh chóng chuyển thành dạng dung dịch Gelatin tan polyol glycerin, propylen glycol, sorbitol, manitol, không tan cồn, aceton, CCl4, benzen, ether dung môi hữu khác Các muối phosphat, citrat, sulfat nồng độ thấp làm gelatin dung dịch nồng độ cao kết tủa Gelatin thực phẩm, có chứa loại amino acid cần thiết cho người.Gelatin phụ gia thực phẩm nên khơng có giới hạn sử dụng Bảng 1.2 Tỷ lệ thành phần acid amin gelatin sản xuất từ da xương 1.6.1 Thành phần amino acid Từ da (%) Từ xương (%) Aspartate 5,2 5,3 Glutamate 7,1 7,3 Hydroxyproline 5,6 5,6 Serine 6,3 6,3 Glycine 35,8 35,8 Histidine 1,2 1,1 Arginine 5,3 5,4 Threonine 2,3 2,4 Alanine 10,3 10,3 Proline 9,8 9,5 Tyrosine 0,5 0,5 Valine 1,7 1,8 Methionine 1,7 1,6 Isoleucine 1,1 1,2 Leucine 2,0 2,1 Phenylalanine 1,2 1,2 Lysine 2,7 2,5 Độ nhớt khả tạo gel Độ nhớt khả tạo gel gelatin phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ.Ở nhiệt độ < 200C, dù hàm lượng gelatin thấp có khả tạo gel.Ở nhiệt độ khoảng 20  300C, dung dịch gelatin vừa tồn dạng gel, vừa dạng dịch nhớt, vừa dịch lỏng, phụ thuộc nhiệt độ hàm lượng gelatin.Ở nhiệt độ > 350C, phân tử gelatin rời rạc.Dù hàm lượng gelatin cao chúng không liên kết với nhau, không tạo gel bền mà tăng độ nhớt Khả tạo gel tính chất chức quan trọng gelatin, yếu tố quan trọng để đánh giá chất lượng gelatin.Độ bền gel đông đặc trưng độ Bloom Theo định nghĩa, độ bloom khối lượng tính gam cần thiết tác dụng lên bề mặt gel tạo ống có đường kính 13 mm để khối gel lún xuống 4mm Khối gel có hàm lượng gelatin 6,67%; giữ ổn định 100C 16  18h Gelatin thị trường có độ Bloom khoảng 50  300 Bloom (gam) 1.6.2 Khối lượng phân tử phân bố khối lượng phân tử Gelatin có bloom cao thường chứa tỉ lệ lớn (30 – 35%) phân tử có kích thước giống dạng chuỗi -và -.Phần lớn gelatin chứa tổ hợp với phân tử có khối lượng 10 triệu polypeptit với phân tử có khối lượng 80.000 Sự phân bố khối lượng phân tử: dạng gelatin thường gặp bao gồm chuỗi  với khối lượng phân tử 230.000-340.000, chuỗi  với khối lượng phân tử 123.000 – 230.000, chuỗi  với khối lượng phân tử 80.000 – 125.000 chuỗi  nhỏ 10.000 – 80.000 1.6.3 Điểm đẳng điện Cũng giống protein khác, gelatin hoạt động acid base, tùy thuộc vào pH Trong dung dịch acid gelatin tích điện dương dung dịch kiềm tích điện âm Điểm trung gian tích điện gọi pI điểm đẳng điện Sự thay đổi tỉ lệ nhóm carboxyl, amin có liên quan đến khác điểm đẳng điện gelatin.Ở collagen, 35% nhóm acid nằm dạng amid Do đó, collagen protein có điểm đẳng điện 9,4 Trong suốt q trình điều chế gelatin, q trình xử lí acid base thủy phân nhóm amid phạm vi lớn nhỏ Điểm đẳng điện gelatin thay đổi từ 9,4 (khơng thay đổi nhóm amid) đến 4,8 (90 – 95% nhóm acid carboxylic tự do) Gelatin điều chế phương pháp acid có điểm đẳng điện cao điều kiện thao tác cơng nghệ trì giá trị gần với điểm đẳng điện collagen Gelatin điều chế phương pháp kiềm qua q trình xử lí kiềm dài có phần nhỏ nhóm amin cịn lại nên gelatin có pH đẳng điện acid thường nằm khoảng 4,8 – 5,2 1.6.4 Cơ chế tạo gel Gelatin trương nở cho vào nước, hấp thụ thể tích nước 5-10 lần thể tích thân Khi gia nhiệt đến nhiệt độ cao điểm tan chảy, gelatin trương nở hòa tan tạo thành gel làm nguội Quá trình chuyển đổi dạng dung dịch dạng gel có tính thuận nghịch Tính chất lợi dụng nhiều q trình chế biến thực phẩm Ngồi ra, gel gelatin bắt đầu tan chảy 27-340C có khuynh hướng tan miệng Tính chất đươc ứng dụng nhiều thực phẩm.Cơ chế tạo gel thay đổi ngẫu nhiên dạng xoắn ốc.Iminoacid chuỗi polypeptit khác tạo hình thể xoắn ốc làm nguội vòng xoắn ổn định nhờ cầu hydro, tạo gel ba chiều.Sự tạo gel gelatin xem tái tạo phần collagen phần tái tạo hoạt động đoạn chức gel 1.7 Ứng dụng 1.7.1 Trong công nghiệp thực phẩm Gelatin chủ yếu dùng làm phụ gia tạo gel, tạo dạng gel mềm dẻo, suốt, nghịch đảo nhiệt làm nguội 350C Gelatin tan nước, tạo cảm giác sản phẩm tan miệng Do gelatin tan miệng tạo cảm giác đầy miệng nên sử dụng làm chất thay chất béo Gelatin thiếu tryptophane, methionine, nhiều lysine phối hợp với nguồn cung cấp protein khác thành nguồn cung cấp protein tốt Gelatin không chứa chất béo, đường, purine hay cholesterol, cung cấp lượng (3,5 kcal/g) nên dùng làm thực phẩm cho người ăn kiêng Trong CNSX kem: gelatin giúp tạo cấu trúc mềm mại cho sản phẩm, ngăn cản trình tách lỏng làm lạnh đơng kem Sử dụng kết hợp với chất ổn định khác nhằm tạo độ tan chậm nhờ điều chỉnh độ nhớt hỗn hợp Gelatin có khả điều khiển q trình kết tinh Nếu lạnh đơng nước có 0,5% gelatin, nước khơng đông thành khối băng cứng mà tạo thành nhiều tinh thể nhỏ Tính chất có ứng dụng bảo quản kem Trong CNSX kẹo mứt, gelatin sử dụng làm chất tạo gel, tạo xốp, làm chậm trình tan kẹo miệng với tỷ lệ – 7% Trong CNSX rượu, bia nước hoa quả, gelatin sử dụng làm chất làm Gelatin có khả hấp thụ nước gấp  10 lần thể tích nên sử dụng CNSX đồ hộp thịt để tránh tượng rỉ nước.Đối với sản phẩm thịt có hàm lượng nước hàm lượng chất béo cao dễ xảy tượng tách nước, tách béo ảnh hưởng đến cấu trúc sản phẩm.Gelatin giúp liên kết nước, làm bền hệ nhũ tương, tạo cấu trúc đồng 1.7.2 Trong công nghiệp dược phẩm Gelatin thành phần viên ngậm, thuốc đạn, dung dịch đẳng trương chứa từ 0,5-0,77% gelatin thành phần loại thuốc sát trùng sử dụng nước mắt nhân tạo Gelatin ứng dụng làm viên bao nang dược phẩm Viên bao nang gồm loại: vỏ cứng vỏ mềm Với viên bao cứng, sử dụng gelatin có độ bloom cao độ nhớt dung dịch giúp điều chỉnh độ dày thành viên bao Viên bao nang mềm sử dụng gelatin có độ bloom thấp hơn, thơng thường từ 150-200 có bổ sung chất hóa dẻo (sorbitol, propylenglycol, saccharose thường gặp glycerine) Ngoài ra, nha khoa, gelatin cịn có thành phần bọt biển sử dụng để thấm cầm máu 1.7.3 Trong công nghiệp nhiếp ảnh Gelatin sử dụng nhiếp ảnh với chức năng: - Tác nhân liên kết - Tạo nhũ tương gelatin hút nước, tạo thành dung dịch gia nhiệt chuyển thành dạng gel làm nguội, sau chiết hình thành trạng thái bền - Thể tích trương nở gelatin bảo đảm cho phản ứng hóa học diễn suốt trình tráng phim CHƯƠNG 2: GELATIN TỪ DA CÁ 2.1 Giới thiệu chung Gelatin từ nguồn động vật biển (da cá nước ấm nước lạnh, xương, vây) có khả nguồn thay cho gelatin từ bò Một thuận lợi chủ yếu nguồn gelatin từ động vật biển chúng khơng có nguy bị bệnh bị điên.Gelatin từ cá chấp nhận cho đạo Islam sử dụng hạn chếhơn đạo Do Thái Hindu.Hơn nữa, da cá phế liệu chủ yếu ngành công nghiệp sản xuất cá Trong quy trình cơng nghệ chế biến cá da trơn, tỷ lệ thịt fillet cá Basa chiếm 24.11%, lại 75.89% phụ phẩm Tương tự với cá Tra thịt fillet 39.31%,cịn lại 60.69% phụ phẩm, nguyên liệu dùng để sản xuất gelatin da cá chiếm khoảng – 6% Nếu so với sản lượng cá hàng năm số lượng phụ phẩm hàng năm thải số vô lớn Quá trình sản xuất gelatin cá thực khơng chúng sản xuất từ năm 1960 phương pháp trích ly acid hầu hết ứng dụng cơng nghiệp (Norland, 1990) Quy trình trích ly chi tiết mơ tả tính chất gelatin cá mơ tả Grossman Bergman (1992) Từ đó, nhiều nhóm nghiên cứu nhiều khía cạnh khác gelatin từ cá Gelatin trích ly từ da xƣơng nhiều loài cá nước lạnh (như cá tuyết, cá thu, cá hồi) cá nước ấm (như cá ngừ, cá trê, cá rô phi,…) So sánh với gelatin từ bò hay heo thị phần gelatin cá thấp Một vài hạn chế gelatin từ cá làm chúng không áp dụng rộng rãi quy mơ cơng nghiệp:  Tính chất lưu biến thấp Cho tới nay, gelatin từ cá bị hạn chế ứng dụng gel tạo thành có khuynh hướng tạo đặc tính cảm quan thấp so sánh với gelatin từ động vật có vú cạn (Leuenberger, 1991) Hạn chế chủ yếu thiếu vùng giàu proline collagen hay gelatin cá nước lạnh so với động vật máu nóng Ngoài hàm lượng tổng chuỗi glycine–proline– hydroxyproline nhân tố ảnh hưởng tới tính bền nhiệt collagen  Chất lượng gelatin không ổn định Điều điều quan tâm nguồn nguyên liệu sử dụng để sản xuất gelatin phụ phẩm từ nhiều nguồn khác Điều giải cách kiểm soát chất lượng nguyên liệu đầu vào  Các yếu tố chất lƣợng nội Các vấn đề bao gồm màu, mùi, độ nhớt độ Bloom gelatin từ cá Khó khăn kỹ thuật lớn việc sản xuất gelatin cho người tiêu thụ việc loại bỏ mùi cá khó chịu sản phẩm Mùi lưu lại dai dẳng gelatin cá gây nên vấn đề lớn ứng dụng sản phẩm có mùi nhẹ  Giá Đây vấn đề khó giải liên quan tới kinh tế Chi phí sử dụng gelatin từ cá đắt gấp – lần so với gelatin từ bò hay heo sản lượng hàng năm gelatin từ cá thấp, khoảng 100 2.2 Phương pháp sản xuất Hình 2.1 Quy trình sản xuất gelatin từ da cá 2.2.1 Quá trình tiền xử lí Sau chế biến cá, da cá nhà sản xuất đem trữ đông để tránh biến đổi tính chất da cá Vì vậy, q trình tiền xử lí ngun liệu có thêm giaiđoạn “rã đông – rửa sạch”, giai đoạn thường thực điều kiện tự nhiên có sử dụng thêm nước ấm 30 – 60oC để tăng hiệu Giai đoạn xử lí nguyên liệu Ngồi phương pháp xử lí acid xử líbase sản xuất gelatin từ động vật cịn có thêm phương pháp phương pháp áp suất cao phương pháp enzyme kết hợp acid  Phương pháp áp suất cao Da cá sau rã đông xử lí rửa nước lạnh nước ấm nhiều lần Tiếp theo tiến hành ngâm da với acid acetic 50 mM Sau trích ly nước 45oC Áp suất cao kết hợp với khâu xử lý da acid (để làm tính bất ổnđịnh liên kết ngang khơng bền collagen làm da trương nở) khâu trích ly (để thúc đẩy thủy phân collagen) Các khoảng áp suất sử dụng thời gian xử lý nghiên cứu kết cho thấy sử dụng phương pháp áp suất giai đoạn xử lí ngâm da với acid acetic 50 mM 10oC áp suất 250 Mpa 10 phút cho hiệu suất trích li cao nhất.Sử dụng áp suất cao có ưu điểm rút ngắn mức độ, thời gian xử lí hay tríchli, đồng thời cải thiện chất lượng gelatin (thể rõ việc thay đổi khối lượng phân tử gelatin tính nhớt bị ảnh hưởng)  Phương pháp enzyme kết hợp acid Da cá sau xử lí làm sơ để loại mỡ cách rửa nhiều lần với nước lạnh nước ấm Tiếp đến, ngâm da cá làm với enzyme Alcalase môi trường pH = để 50oC thời gian 15 – 16h Sau ngâm enzyme để loại bỏ protein tạp, tiến hành ngâm acid để da cá trương nở, sau rửa acid tiến hành trích li với nƣớc nhiệt độ khoảng 45 – 50oC Phương pháp enzyme mơ tả sản xuất gelatin có độ tinh khiết cao, cịn lại màu, có độ bền gel cao với khoảng biến thiên rộng độ nhớt Ngồi phương pháp cịn làm giảm đáng kể thời gian sản xuất loại trừ làm ngắn bướckiềm hóa Hơn nữa, phương pháp enzyme sử dụng nhiệt độ thấp nên làm giảm chi phí sản xuất làm tăng sản lượng, giảm chi phí hóa chất, giảm lượng nước sử dụng giảm giá thành sản phẩm 2.2.2 Q trình trích li , đặc, sấy Các trình thường tiến hành tương tự qui trình sản xuất gelatin từ động vật, thay đổi vài thông số kĩ thuật phù hợp với loại nguyên liệu sản xuất khác Hình 2.2 Q trình chuyển hóa colagen thành gelatin Hình 2.3 Sơ đồ thiết bị q trình trích ly, cô đặc, sấy 2.3 Sản phẩm gelatin da cá Những nghiên cứu gelatin da cá bước đầu nên chất lượng chúng chưa ổn định Tuy nhiên hướng phát triển có nhiều triển vọng nên cần đƣợc quan tâm nhiều tương lai Chỉ tiêu hóa học Bảng 2.1 Chỉ tiêu hóa học Thơng số Giá trị Điểm đẳng điện 89 Hàm lượng protein >84% Hàm lượng hydroxyproline >10% Hàm lượng lipid