Sản xuất gelatin và ứng dụng GVHD Ths Nguyễn Thị Hiền MỤC LỤC 1 TỔNG QUAN 2 1 1 Collagen 2 1 1 1 Cấu tạo 2 1 1 2 Tính chất collagen 4 1 2 Gelatine 6 1 2 1 Lịch sử phát triển của ngành sản xuất gelatin[.]
Sản xuất gelatin ứng dụng GVHD: Ths Nguyễn Thị Hiền MỤC LỤC TỔNG QUAN: 1.1 Collagen: 1.1.1 Cấu tạo: 1.1.2 Tính chất collagen: 1.2 Gelatine: 2 1.2.1 Lịch sử phát triển ngành sản xuất gelatine: .6 1.2.2 Định nghĩa gelatine: 1.2.3 Cấu tạo gelatine: 1.2.4 Phân loại gelatine: .11 1.2.5 Tính chất gelatine: 15 1.2.6 Khả tạo màng gelatine với phụ gia khác: 19 QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT GELLATIN TỪ DA CÁ TRA: 20 2.1 Quy trình: 20 2.2 Thuyết minh quy trình: 20 2.2.1 Tiền xử lý nguyên liệu thô: .20 2.2.2 Q trình trích ly 21 2.2.3 Quá trình tinh 21 2.2.4 Quá trình đặc 21 2.2.5 Quá trình sấy .22 SẢN PHẨM .22 ỨNG DỤNG 23 4.1 Công nghệ thực phẩm 24 4.2 Công nghệ dược phẩm 50 57 4.3 Gelatin lĩnh vực nhiếp ảnh 4.4 Các lĩnh vực khác 57 58 4.5 Gelatin ứng dụng khác 4.6 Khả đưa gelatin da cá vào ứng dụng công nghiệp 59 4.7 Gelatin chất cạnh tranh ứng dụng 61 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 67 Sản xuất gelatin ứng dụng GVHD: Ths Nguyễn Thị Hiền TỔNG QUAN: 1.1 Collagen: Collagen protein có nhiều da xương động vật Trong thể người đa số loài động vật, collagen chiếm 30% lượng protein Collagen khơng có tính đàn hồi nên có tác dụng bảo vệ thể chống lại kéo căng Collagen nghiên cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực như: thực phẩm, y học, dược phẩm, keo dán, phim ảnh… 1.1.1 Cấu tạo: - Phân tử collagen có cấu tạo xoắn ốc bậc ba với lặp lại chuỗi (Gly – X – Y) Trong đó, X proline cịn Y hydroxyproline - Cấu tạo collagen khác biệt với protein biết tới, nét bật thành phần collagen có chứa lượng lớn glycine 33%, proline hydroxyproline 22%, lượng nhỏ hydroxylysine 1% (Eastoe, 1967) - Đơn vị collagen tropocollagen, gồm chuỗi liên kết tạo thành sợi nhỏ Mỗi phân tử tropocollagen dài 300 nm, dày 1,5 nm có khối lượng phân tử 300 000 dalton - Các phân tử tropocollagen liên kết ngang với liên kết cộng hóa trị Nhờ liên kết ngang này, phân tử tropocollagen hình thành nên sợi collagen Các sợi collagen dài mảnh, chúng xếp tạo mạng collagen Hình 1.1 Liên kết ngang phân tử tropocollagen Sản xuất gelatin ứng dụng GVHD: Ths Nguyễn Thị Hiền Hình 1.2 Cấu tạo phân tử collagen - - Sự xếp khác chuỗi hình thành nên cấu trúc xoắn bậc ba phức tạp khác loại collagen Hiện có khoảng 27 loại collagen xác định Mỗi loại có trật tự thống acid amin chuỗi polypeptide ban đầu kèm với phân tử carbohydrate khác Trong loại collagen tìm thấy collagen loại I III nguồn nguyên liệu phổ biến sản xuất gelatin thương mại Trong thể người động vật có đến 90% collagen collagen loại I, II, III Collagen loại I phổ biến thường mô liên kết da, xương, gân Collagen loại II tồn mô sụn Collagen loại III lại phụ thuộc lớn vào độ tuổi động vật, da heo trẻ chứa tới 50%, theo thời gian tỷ lệ giảm 5-10% Bảng 1.1 Thành phần chuỗi loại collagen dùng sản xuất geltine Loại Thành phần chuỗi phân tử Phân bố I {2[ 1(I)],[ 2(I)]} Da, xương, sụn… III 3[ 1(III)] Da (khơng có xương) - Sự phân bố thành phần acid amin chuỗi khác tạo gelatin có tính chất khác Sản xuất gelatin ứng dụng GVHD: Ths Nguyễn Thị Hiền Bảng 1.2 Sự phân bố acid amin chuỗi chuỗi collagen loại I loại III Thành phần 3– hydroxyproline 4– hydroxyproline Proline Lysine Hydroxylysine Glycine Cysteine Serine Alanine Histidine Valine Methionine Isoleucine Leucine Arginine Phenylalanine Aspartic acid Threonine Glutamic acid Thành phần theo tỷ lệ/1000 1 (loạiI) 2 (loạiI) 1 (loạiIII) 108 93 125 124 113 107 26 18 30 12 333 338 350 0 34 30 39 115 102 96 12 21 35 14 14 13 19 30 22 50 50 46 12 12 42 44 42 16 19 13 73 68 71 Tyrosine 1.1.2 Tính chất collagen: - Phản ứng với acid kiềm: Trên mạch collagen có gốc amin carboxyl nên collagen có tính chất lưỡng tính, tác dụng với acid lẫn kiềm Sản xuất gelatin ứng dụng - GVHD: Ths Nguyễn Thị Hiền Trong môi trường acid, ion acid tác dụng với gốc amin, điện tích carboxyl bị ức chế (hình thành acid yếu có độ ion hóa thấp) Trái lại gốc amin bị ion hóa tạo NH3+ Trong điều kiện có nước, nước tác dụng với nhóm gốc có mang điện kết cấu protide ion Na+, Cl- hình thành tác dụng hợp nước phụ collagen, khiến collagen mơi trường acid, kiềm có độ hút nước cao nước nguyên chất Dưới tác dụng acid kiềm đủ mạnh làm cho collagen bị biến đổi, biến đổi quan trọng q trình chuyển hóa collagen thành gelatin Khi acid kiềm cắt đứt liên kết – NH3+ COO- làm đứt mạch peptide mạch chính, phá vỡ liên kết hydro gốc – CO…NH – mạch xung quanh, phân hủy acid amin mạch giải phóng ammoniac Khi cấu trúc collagen bị biến đổi pI collagen hạ xuống thấp Tác dụng thủy phân acid kiềm tăng nhiệt độ môi trường tăng Mức độ thủy phân acid kiềm collagen đánh giá thông qua độ bền gel gelatin - sản phẩm thủy phân collagen Do q trình trích ly gelatin cần thiết phải khống chế nhiệt độ thời gian thích hợp để đảm bảo chất lượng gelatin thành phẩm Phản ứng với nước: Collagen không hòa tan nước nhiệt độ thường mà hút nước để nở ra, 100g collagen khơ hút khoảng 200g nước, khoảng 70g nước liên kết 20g liên kết vững Khi tác dụng với nước, độ dày mạch tăng lên 25% độ dài tăng lên không đáng kể, tổng thể tích phân tử collagen tăng lên – lần Do nước phân cực tác dụng lên liên kết hydro collagen làm giảm tính vững sợi gelatin từ – lần Khi nhiệt độ tăng lên cao, tính hoạt động mạch polypeptide tăng mạnh, làm cho mạch bị yếu bắt đầu đứt thành mạch polypeptide tương đối nhỏ Khi nhiệt độ tăng lên khoảng 60 – 650C collagen hút nước bị phân giải Nhiệt độ phân giải collagen nguyên liệu chưa xử lý tương đối cao Khi nguyên liệu khử hết chất khống, nhiệt độ phân giải giảm xuống Sản xuất gelatin ứng dụng GVHD: Ths Nguyễn Thị Hiền 1.2 Gelatine: 1.2.1 Lịch sử phát triển ngành sản xuất gelatine: - Thuật ngữ gelatin có nguồn gốc từ Latin từ “gelatus”, nghĩa màng hay chất làm đông Theo nghiên cứu cho thấy, từ 2000 năm trước người biết sử dụng mơ liên kết sản phẩm chế biến thực phẩm để tạo sản phẩm dạng gel - Năm 1962, người Pháp tên Papin tạo hỗn hợp giống jelly từ xương - Năm 1700, thuật ngữ gelatin sử dụng phổ biến Đến năm 1754, báo lĩnh vực chất dính đăng tải Anh việc sản xuất chất hồ dán tự nhiên với thành phần gelatin vài chất khác thợ làm đồ gỗ - Năm 1850, công nghiệp sản xuất gelatin xuất Mỹ với nguồn nguyên liệu lúc da chưa thuộc xương từ heo bị Sau đó, nhiều nghiên cứu gelatin tiến hành làm tăng thêm ứng dụng ổn định tính chất gelatin - Năm 1930, ngành sản xuất gelatin Châu Âu bắt đầu, sau khơng lâu Châu Âu lại trở thành khu vực sản xuất gelatin quan trọng giới - Năm1973, WHO đưa tiêu chuẩn nhận biết độ tinh gelatin thực phẩm xem gelatin loại thực phẩm phụ gia - Năm 1974, công nghiệp sản xuất gelatin phát triển vô lớn mạnh dẫn đến yêu cầu thành lập “Hiệp hội gelatin Châu Âu” (GME) để đại diện cho quyền lợi nhà sản xuất người tiêu dùng gelatin - Tuy nhiên, gelatin sản xuất từ da heo không chấp nhận nước Hồi giáo, nước Ấn Độ giáo gelatin sản xuất từ bò chấp nhận làm theo địi hỏi tơn giáo Ngồi ra, dịch bệnh bò điên làm tiêu thụ thịt bò giảm nguồn nguyên liệu sản xuất gelatin từ bị trở giảm cách đáng kể Vì lí trên, gelatin có nguồn gốc từ động vật có vú gặp nhiều khó khăn dù gelatin có chất lượng tốt Trong thời kỳ này, xu hướng tìm kiếm nguồn nguyên liệu để sản xuất trở nên cấp bách nguồn nguyên liệu ý khai thác nhiều phế liệu cá Đối với ngành chế biến cá, sau lóc fillet, lượng phế thải chiếm 75% tổng khối lượng cá 30% số da xương Da xương cá có chứa nhiều collagen, đem sản xuất gelatin, từ giải vấn đề phế thải đồng thời tạo sản phẩm có giá trị Sản xuất gelatin ứng dụng - GVHD: Ths Nguyễn Thị Hiền Trong năm gần có nhiều tài liệu nghiên cứu gelatin da cá so sánh gelatin da cá với gelatin từ nguồn nguyên liệu truyền thống Tuy nhiên, nghiên cứu nghiên cứu ban đầu q trình trích ly gelatin từ loại khác ứng dụng chúng thực phẩm 1.2.2 Định nghĩa gelatine: Hiện có nhiều định nghĩa khác gelatin - Năm 1967, Ramachandran định nghĩa gelatin polypeptide có khối lượng phân tử lớn có nguồn gốc từ collagen - thành phần protein mơ liên kết -có nhiều xương, da nội tạng - Năm 1987, Rose định nghĩa gelatin từ để hợp chất protein có nguồn gốc từ collagen - Năm 1998, Bailey Paul định nghĩa gelatin protein tinh dùng thực phẩm thu nhận từ collagen bị thối hóa nhiệt, có cấu trúc protein động vật - Năm 1990, tổ chức Y khoa Mỹ (USP – United States Pharmacopeia) định nghĩa gelatin sản phẩm trình phân giải collagen có nguồn gốc từ da, xương động vật 1.2.3 Cấu tạo gelatine: - Thành phần hóa học: Thành phần hóa học gelatin bao gồm: 85 – 90% protein, 0,5 – 2% muối khống, – 13% nước Gelatin có chứa gần đầy đủ acid amin, ngoại trừ tryptophan cysteine, cystine đơi tìm thấy dạng vết Hình 1.3 Tỷ lệ thành phần acid amin gelatine Sản xuất gelatin ứng dụng GVHD: Ths Nguyễn Thị Hiền Trong gelatin không chứa cholesterol purines Gelatin chứa nhiều glycine proline, hàm lượng acid amin gelatin cao gấp 10 -20 lần so với protein khác Gelatin protein khơng hồn hảo (gelatin có chứa số 10 acid amin cần thiết cho thể), gelatin có chứa nhiều acid amin khơng cần thiết glycine proline (hai acid amin thể tổng hợp) lại thiếu acid amin cần thiết tryptophan Do đó, gelatin có giá trị dinh dưỡng thấp so với protein sữa trứng Tỷ lệ acid amin gelatin thay đổi, tỷ lệ phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu phương pháp sản xuất Bảng 1.3 Thành phần acid amin thu thủy phân 100g mẫu gelatin Acid amin Khối lượng (gam) Glycine 26 – 31 Alanine – 11 Valinet 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 Sản xuất gelatin ứng dụng GVHD: Ths Nguyễn Thị Hiền Hydroxylysine - 0,8 – 1,2 Cấu trúc phân tử gelatine: 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 có khoảng 1000 acid amin, hình thành nên cấu trúc bậc Các chuỗi peptide có chiều dài khác phụ thuộc nguồn nguyên liệu phương pháp sản xuất Mỗi chuỗi có đầu nhóm amino, cịn đầu nhóm carboxyl Gelatin có cấu trúc thường gặp Gly – X – Y (với X chủ yếu nhóm proline cịn Y chủ yếu nhóm hydroxyproline) Hình 1.4 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 1.5 Cấu trúc gelatin Sản xuất gelatin ứng dụng GVHD: Ths Nguyễn Thị Hiền 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 Hình 1.6 Cấu trúc khơng gian chuỗi xoắn ốc - Sự phân bố khối lượng phân tử gelatine : Sự phân bố khối lượng xác định phép lọc sắc kí gel, điện di gel polyacrylamide sắc ký lỏng cao áp Tùy thuộc vào loại nguyên liệu phương pháp xử lý nguyên liệu phương pháp trích ly mà gelatin thành phẩm chứa phân đoạn phân tử có khối lượng khác Việc xác định phân đoạn giúp hiểu rõ độ bền gel, độ nhớt việc đảm bảo chất lượng gelatin sử dụng ứng dụng khác Phân đoạn , phần có khối lượng phân tử lớn góp phần nâng cao độ nhớt, độ bền gel Do gelatin có độ bền gel cao thường chứa tỷ lệ lớn phân tử có kích thước giống dạng chuỗi (khoảng 30 – 50%) 10