1 MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành nuôi trồng và chế biến thủy sản xuất khẩu ở nước ta, một lượng lớn các phế phụ phẩm bị thải ra như đầu, da, xương lượng phế phụ phẩm này chưa được xử[.]
-1- MỞ ĐẦU Cùng với phát triển mạnh mẽ ngành nuôi trồng chế biến thủy sản xuất nước ta, lượng lớn phế phụ phẩm bị thải đầu, da, xương…lượng phế phụ phẩm chưa xử lý thích hợp dẫn đến ô nhiễm môi trường gây lãng phí Trong phế phẩm nguyên liệu để sản xuất chất keo sinh học có nhiều ứng dụng quan trọng Gelatin Trong thực phẩm Gelatin tạo độ nhớt, độ đông, độ cho sản phẩm thực phẩm ăn kiêng tốt Trong dược phẩm dùng làm vỏ nang bảo vệ thuốc Gelatin dùng phim ảnh, mỹ phẩm ứng dụng nhiều lĩnh vực khác như: keo dán, môi trường cho Vi sinh vật phát triển… Năm 1860 Gelatin từ da xuất thị trường, hiểu biết cịn hạn chế Đến năm 1956 Gustarson tiến hành nghiên cứu khả phản ứng Collagen Năm 1990, Trần Thị Luyến nghiên cứu 50 keo từ xương cá số loài cá fillet Những năm gần có số đề tài nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến trình nấu keo từ da cá Basa như: Năm 2006, Trần Duy Phong nghiên cứu xử lý da cá Na2CO3 để khử mỡ điều chỉnh pH, nghiên cứu ảnh hưởng pH nước nấu đến chất lượng gelatin nghiên cứu ảnh hưởng công đoạn cô đặc sấy lạnh đến chất lượng gelatin Nhận thấy nhu cầu lớn Gelatin Thế Giới Việt Nam năm gần đây, thêm vào nguồn nguyên liệu da xương cá để sản xuất Gelatin nước ta dồi dào, ổn định, giá rẻ có tiềm phát triển nên chúng tơi chọn đề tài “Tách Gelatin từ da cá Basa” với mong muốn góp phần nâng cao hiệu kinh tế cho ngư dân nhà sản xuất cá ; đồng thời góp phần vào việc giảm thiểu nhiễm môi trường * Mục tiêu - Xây dựng quy trình sản xuất Gelatin từ da cá Basa -2- * Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp phân tích vật lý - Phương pháp phân tích định lượng - Phương pháp quy hoạch thực nghiệm * Nội dung nghiên cứu - Thu thập tài liệu, tìm hiểu cấu tạo, tính chất, lợi ích Gelatin; phương pháp tách chiết Gelatin - Tiến hành trình tách chiết, thu nhận sản phẩm - Phân tích hàm lượng Gelatin nguyên liệu Gelatin dạng thô * Sản phẩm đề tài : Gelatin dạng hạt -3- Chương 1: TỔNG QUAN -4- 1.1 TIỀM NĂNG SẢN XUẤT GELATIN TỪ DA CÁ:[5][6] Đất nước Việt Nam có lợi có bờ biển dài, nhiều sơng ngịi, ao hồ nên việc khai thác nuôi trồng thủy sản mở triển vọng lớn việc cung cấp thủy sản cho nhu cầu đời sống nhân dân, cho xuất phục vụ cho việc phát triển ngành nuôi trồng thủy sản Trong loại thủy sản xuất Việt Nam mặt hàng cá Tra, Basa sản phẩm chế biến từ chúng chiếm số lượng lớn đem cho đất nước ta nguồn ngoại tệ cao (gần tỷ USD) Ngày nay, Việt Nam gia nhập tổ chức thương mại giới việc xuất mặt hàng thủy sản sang nước khác mở rộng, đặc biệt mặt hàng cá Tra Basa Sản lượng thủy sản đánh bắt nuôi trồng cá Tra Basa tăng lên theo đặc biệt khu vực đồng sơng Cửu Long Do khai thác sử dụng tốt nguồn lợi thủy sản để phục vụ cho loài người vấn đề quan trọng Tuy nhiên trình chế biến cá ta thu 30 % thịt lại 70 % phụ phẩm Lượng phế phẩm thường bị thải bỏ, dùng làm thức ăn cho gia súc, làm phân bón xuất sang nước khác Hiện giới nhu cầu sử dụng Gelatin ngày lớn Các quốc gia sản xuất Gelatin hàng đầu Mỹ (khoảng 31000 hàng năm), Pháp, Đức, Anh, Nhật Bản Các ngành tiêu thụ chủ yếu: công nghệ thực phẩm, công nghệ dược phẩm, công nghiệp phim ảnh, công nghệ sản xuất mỹ phẩm Gelatin sử dụng giới thường sản xuất từ nguyên liệu xương bò, da heo năm gần bùng nổ bệnh bò điên, bệnh heo tai xanh nên dẫn đến việc sử dụng Gelatin tách chiết từ xương bị, da heo bị hạn chế Chính sản lượng Gelatin giới giảm dần Nhu cầu sử dụng lớn, nguồn nguyên liệu bị hạn chế Trước tình hình đời Gelatin từ da cá bước ngoặt lớn, khơng giải tất vấn đề khó khăn mà cịn góp phần tăng lợi ích kinh tế giảm bớt lượng lớn phế thải ngành thủy sản gây ô nhiễm môi trường Như việc sản xuất Gelatin từ da cá góp phần làm giảm thiểu nhiễm mơi trường mà cịn tạo sản phẩm có giá trị Đây triển vọng lớn cho quốc gia có ngành thủy sản phát triển -5- 1.2 GIỚI THIỆU VỀ COLLAGEN [3][4][7][9][10][11] 1.2.1 Collagen Collagen loại protein đặc biệt Cấu trúc tạo thành từ amino acid với xếp dạng sợi, mặt khác biết protein cứng hình sợi Những sợi chuỗi phân tử dài, chứa đến 19 loại amino acid Thành phần amino acid quan trọng sợi gồm có: prolin, glicin, hydroxyprolin hydroxygilicin Hai hợp chất cuối không thấy loại protein khác 1.2.1.1 Cấu tạo collagen Collagen loại protein tương đối đơn giãn, gồm có ba chuỗi amino acid riêng biệt xoắn lại với giống sợi dây thừng Mỗi sợi collagen tạo nên từ hang nghìn amino acid, chủ yếu hai loại acid amin: glycin prolin Đơn vị cấu trúc Hình 1.1 Cấu trúc collagen tropocollagen bao gồm mạch polypeptide bện vào thành dây cáp siêu xoắn (vì mạch đơn có cấu trúc xoắn, chiều cao gốc xoắn trục siêu xoắn 2,9 Å, vòng xoắn 3,3 gốc amino acid) Ba chuỗi polypeptide “dây cáp” nối với liên kết hydrogen Đầu tiên ba sợi collagen xoắn lại theo kiểu xoắn ốc xung quanh sợi hình thành nên ba Sau ba bắt với xoắn chung quanh ba để hình thành nên sợi siêu cáp Mỗi sợi liên kết với liên kết ngang Sự kết hợp gọi collagen siêu xoắn Cấu trúc ba chiều phức tạp định chức sinh học collagen Gần nửa lượng amino acid colagen glycine alanine Ở vị trí có liên kết – NH – = O glycine alanine chuỗi liên kết với nhóm –NH – = O chuỗi vị trí tương ứng liên kết hydro Cứ chuỗi -6- polypeptid xoắn ốc lại với tạo thành chuỗi lớn hơn, sợi colagen rắn mô sống động vật Một đặc điểm để phân biệt colagen với loại protein khác trình tự acid amin xếp chuỗi đơn vị phân tử colagen Một mơ hình phổ biến Gly-X-Pro Gly-X-Hyp, X phân tử acid amin bất kỳ: Gly-Pro-Hyp mơ hình xuất nhiều Vì thế, gelatin thu nhận từ colagen mạng lưới phân tử có tính đàn hồi nối với liên kết hydro Bảng 1.1: So sánh thành phần amino acid phân tử protein có khối lượng 10 000 ĐVC Collagen Casein Albumin Wool Glycine 363 30 19 87 Alanine 107 43 35 46 Valine 29 54 28 40 Leucine 28 60 32 86 Isoleucine 15 49 25 - Serine 32 60 36 95 Threonine 19 41 16 54 Cystine - 49 Methionine 17 16 Aspartic acid 47 63 32 54 Glutamic acid 77 153 52 96 Lysine 31 61 20 19 -7- Hydroxylysine - - - Arginine 49 25 15 60 Histidine 19 7 Phenylanine 15 28 21 23 Tyrosine 45 26 Trytophan - Proline 131 65 14 83 Hydroproline 107 - - - 1.2.1.2 Tính chất colagen: Tính chất vật lý Collagen protein không tan nước, có khả giãn nở nhẹ Tỉ lệ giãn nở có giới hạn co giãn khoảng 7% cho sợi ướt 5% cho sợi khô Ở 600C tác động acid hay kiềm muối Collagen ẩm đột ngột, phồng lên, co rút khoảng 1/3 hay 1/4 chiều dài Và tiếp tục đun Collagen tiếp tục thủy phân thành Gelatin Tính chất hóa học Collagen chất chuyển thành gelatin đun sơi với nước nóng, kết mở vòng xoắn sợi kèm theo phá vỡ liên kết hydro Gelatone Gelatose sản phẩm phân giải gelatin Tỷ lệ Gelatin, Gelatone Gelatose định nhiệt độ thời gian nấu Collagen bị thủy phân chậm trysin pepsin, Gelatin dễ bị phân hủy Collagen thêm cồn, muối aceton đặc biệt heparin chung có sợi dày kết tủa lại Collagen tan glycerin, acid acetid, ure không tan nước lạnh -8- 1.2.1.2 Chức collagen Protein collagen đóng vai trị giá đỡ cho mơ, quan liên kết cấu trúc với xương Collagen có cấu trúc da Nó tiêu biểu cho khỏe mạnh độ bền da, thể qua trơn láng, đầy đặn da trẻ Cấu trúc siêu xoắn ba làm cho Collagen có sức căng mạnh thép Sự cấu trúc 3-D có nghĩa giúp đỡ khung sườn da Collagen có nhiều mơ liên kết da cá Tương tự sợi collagen động vật có vú, sợi Collagen mơ cá tạo nên cấu trúc mạng lưới mỏng với mức độ phức tạp khác Tuy nhiên, Collagen cá bền nhiệt nhiều có liên kết chéo nhạy cảm Collagen động vật máu nóng có xương sống (Phan Thị Thanh Quế 2005) Collagen loại protein phổ biến thể (chiếm khoảng 1/4 tổng lượng protein), protein mô liên kết, thành phần da, vân, sụn, dây chằng, gân, xương răng; đóng vai trị quan trọng việc phát triển mô thể củng cố thành mạch; tồn giác mạc thuỷ tinh thể mắt dạng kết tinh Lớp bì, lớp đệm da chứa nhiều Collagen, mà sợi Collagen tạo hệ thống nâng đỡ, hỗ trợ cho đặc tính học da sức căng, độ đàn hồi, trì độ ẩm… 1.2.1.3 Ứng dụng collagen Ngày Collagen ứng dụng nhiều lĩnh vực đặc biệt lĩnh vực y học ngành khoa học khác Ví dụ sản phẩm bơng gạc làm từ Collagen Tập đoàn Suwelack giúp vết thương nhanh lên da non mau lành sẹo, mỹ phẩm giúp làm đẹp da mặt cho phụ nữ, v.v 1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến collagen: 1.2.2.1 Ảnh hưởng khơng khí Ở độ tuổi khác nhau, thể sống hay ống nghiệm, khơng khí có vai trị quan trọng thay đổi cấu trúc hóa học Collagen (Sobel Hansen, 1989) Sự oxy hóa làm thay đổi cấu trúc phân tử protein, nguyên nhân thay đổi mặt hóa học liên kết vài amino acid vượt thời gian -9- 1.2.2.2 Ảnh hưởng nước Nước ảnh hưởng đến Collagen theo đường khác Nó giữ vai trị trực tiếp biến đổi hóa học Collagen thơng qua thủy phân, hydrat hóa gốc tự do, ổn định liên kết hydro, tỉ lệ hình thành Gelatin Bowes Raistrick (1967) nghiên cứu ảnh hưởng mối liên hệ độ ẩm pH lên phạm vi suy giảm thủy phân Collagen phóng thích nitơ cịn dư giai đoạn cuối Ở 400C tám tuần, thủy phân Collagen tăng lên với tăng độ ẩm (từ 40% lên 80%) giảm pH (từ 5,0 xuống 2,5) Họ kết luận suy giảm thủy phân tiến xa, biến tính kéo theo tăng lên hoạt động thủy phân 1.2.2.3 Ảnh hưởng nhiệt độ Đo lường ảnh hưởng nhiệt độ lên hư hỏng Collagen bị giới hạn có hao hụt nhiệt độ nhiệt độ đo lường đưa kết không đáng tin cậy (Bowes Raistrick, 1964) Mối quan tâm đặc biệt collagen bị hư hỏng mặt vật lý hóa học bị hư hỏng tỉ lệ nhanh hơn, điều không chứng minh nội dung cho việc nghiên cứu sâu Tính tồn vẹn mặt vật lý hóa học Collagen biểu thị qua ổn định thủy nhiệt, giảm nhiệt độ sai lệch sợi bị hư hỏng 1.3 GELATIN: [3][7][12][13] 1.3.1 Định nghĩa: Gelatin protein tinh dùng thực phẩm, thu nhận từ biến tính nhiệt phân Collagen có da, xương, mô liên kết động vật, loại protein phổ biến giới động vật Gelatin hòa tan đun nóng (khoảng 40oC) đặc làm lạnh, với nước điều kiện bình thường có dạng sệt Theo Hofmeister: Gelatin sản phẩm thủy phân Collagen nhiệt: C102H149N31O38 + H2O 1.3.2 Tính chất Gelatin: 1.3.2.1 Cấu trúc Gelatin: Ỵ C102H151N31O39 - 10 - Gelatin protein tạo axit amin xếp chuỗi đường thẳng liên kết kết hợp hai hay nhiều axit amin, hỗn hợp dị hể sợi polypeptid sợi đơn sợi đa, sợi có cấu hình proline xoắn ốc bên trái, chứa từ 300 – 400 amino acid Hình 1.2 Cấu trúc Gelatin Cấu trúc Gelatin hình thành từ liên kết 18 loại amino acid khác nhau, liên kết theo trạt tự định, tuần hoàn Gelatin chứa lượng lớn glycine, proline 4- hydroxyproline Cấu trúc hóa học –Ala-Gly- Pro-Arg-Gly-4Hyp-Gly-Pro Hình 1.3: Cấu trúc hóa học phân tử Gelatin Hầu hết Gelatin thương mại có khối lượng phân tử từ 15000 đến 250000 đvc, thường Gelatin có khối lượng phân tử từ 50000 đến 70000 đvc Gelatin giống phân tử protein khác, thành cấu trúc Gelatin chuỗi polypeptid lớn phức tạp với thành phần amino acid giống ... hàng năm), Pháp, Đức, Anh, Nhật Bản Các ngành tiêu thụ chủ yếu: công nghệ thực phẩm, công nghệ dược phẩm, công nghiệp phim ảnh, công nghệ sản xuất mỹ phẩm Gelatin sử dụng giới thường sản xuất... nhiều lĩnh vực như: thực phẩm, dược phẩm, phim ảnh - 19 - Tùy theo sản phẩm thu nhận có độ Bloom mà ta có ứng dụng riêng biệt sản phẩm khác 1.2.5.1 Gelatin thực phẩm : Trong thực phẩm ngày nay,... ứng dụng gelatin thực phẩm tùy theo độ Bloom minh họa sau: Bảng 1.8: Khả ứng dụng Gelatin dựa vào độ Bloom Loại thực phẩm Mức độ sử dụng Bloom Sản phẩm từ sữa 0,2 - 1,0% 150 - 250 Thực phẩm đông