Thành phần, cấu tạo, tính chất, quá trình chuyển hóa và ứng dụng cua Gelatin

Nguồn gốc  Gelatin không có sẵn trong tự nhiên nhưng nó được tìm thấy từ protein collagen gốc bằng quá trình phá hủy cấu trúc bậc 2 hoặc cao hơn, ở các nhiệt độ khác nhau của quá trình

Hóa Sinh Đại Cương

_o0o _

Thành phần, cấu tạo, tính chất, quá trình chuyển hóa

và ứng dụng của gelatin

Thực hiện: nhóm 4

Lời mở đầu

 Ngày nay, chúng ta thường thấy gelatin trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống hiện đại Cho nên, trong tương lai, những quan tâm về gelatin không chỉ giới hạn cho các ứng dụng trong thực phẩm, trong y học, trong y tế, trong nhiếp ảnh, trong khoa học kỹ thuật mà còn trong nhiều lĩnh vực khác, Nhờ đó, gelatin đã trở thành mối quan tâm của nhiều người trong xã hội Bài thuyết trình này sẽ cung cấp cho mọi người những thông tin cơ bản về gelatin, để làm tiền đề nghiên cứu sâu hơn về gelatin.

I Giới thiệu

1 Nguồn gốc

 Gelatin không có sẵn trong tự nhiên nhưng nó được tìm

thấy từ protein collagen gốc bằng quá trình phá hủy cấu trúc bậc 2 hoặc cao hơn, ở các nhiệt độ khác nhau của quá trình thủy phân polypeptit có trong xương và da Tên

“gelatin” xuất phát từ tiếng la tinh “gelata”, từ “gelata” miêu tả tính chất đặc trưng nhất của nó, ví dụ: sự hình thành gel trong nước

1.1 Khái niệm

 Gelatine là các polypeptit cao phân tử dẫn xuất từ collagen, là thành phần protein chính trong các tế bào liên kết của nhiều loại động vật Cấu tạo là một chuỗi acid amin gồm 3 acid amin chủ yếu là glyxin,prolin và hydroprolin.Trong phân tử gelatine ,các acid amin liên kết với nhau tạo chuỗi xoắn ốc

có khả năng giữ nước.

 Thành phần axit amin có trong gelatin là: Aspartic axit (6%), Arginin (8%), Alanin (9%), Glutamic axit (10%), Prolin và Hydroprolin (25%),Glycine

2 Colagen

Collagen và elastine là 2 protein chiếm trên 50% protein có trong xương, da, gân, sụn và hệ thống tim mạch Nó là protein hình sợi không đàn hồi được Do đó bảo vệ cơ thể chống lại sự kéo căng.Ở trạng thái tự nhiên, Collagen bị pepsine và Collagen thủy phân sau khi biến tính mới bị trypsine, chymotrypsine, cacbonxypeptydase thủy phân Trong quá trình gia tăng nhiệt

độ tới 50°C, phân tử bị co ngắn 1/3 Khi đến 61°C, gần 1/2 số sợi Collagen bị co Khi nhiệt độ 100°C, Collagen bị hòa tan và tạo ra Gelatine

3 Phân loại

 Gelatine phân làm hai loại:

 Gelatine loại A: Gelatine lọai A là Gelatine được chế biến theo phương pháp acid

 Gelatine loại B: Gelatine loại B là Gelatine được chế biến theo phương pháp kiềm.

4 Sản xuất

 Collagen là nguyên liệu thô cơ bản cho công nghiệp sản suất Gelatine, là cấu tử chính của tất cả các mô liên kết có sợi trắng xuất hiện trong cơ thể động vật như: sụn, các đường gân, lớp màn bọc trong suốt bao quanh các cơ và sợi

cơ, da và ossein (hỗn hợp Protein và xương) Mặc dù tỉ lệ của các amino acid trong chuỗi collagen và gelatine tương đối giống nhau, nhưng tính chất vật lý và tính chất hóa học của 2 protein này lại khác xa nhau Ví dụ: trong acid loãng hay kiềm Collagen sẽ phồng lên ( hydrat hóa) nhưng không tan, trong khi đó gelatine sẽ tan Ở nhiệt độ ấm (ít hơn 50°C) Gelatine tan ở tất cảc các pH để hình thành một hỗn hợp nhớt, còn Collagen chỉ đơn thuần co lại và mất khả năng giữ nước Để sản xuất Gelatine, nguyên liệu thô có thể là bất kì nguyên liệu nào có chứa Collagen, nhưng da sống, vỏ hoặc xương là nguyên liệu được ưu tiên Nguyên liệu thô được rửa để loại bỏ đất và tạp chất trên bề mặt

 Xương được chế biến từ nhiều cách khác nhau, sau quá trình rửa, giã nát và rửa lại, chúng sẽ được đưa đi xử lý acid (thường là HCl 4 – 7%) từ 5-7 ngày để loại bỏ hoặc lọc ra canxi photphat và giữ lại phần cặn của xương Collagen hoặc ossien.

 Nguyên liệu thô cô đặc từ tất cả các nguồn được sản xuất trực tiếp hoặc có thể sấy khô và lưu trữ Sau quá trình

xử lý sơ bộ được miêu tả ở trên, nguyên liệu thô được đưa

đi xử lý acid hoăc kiềm tùy thuộc vào mục đích sử dụng cuối cùng của gelatine và nguồn collagen Xử lý acid đặc biệt hữu ích cho sự chuẩn bị các Gelatine từ da lợn và ossein và được sử dụng rộng rãi ở Mỹ Ở châu Âu, nguồn

4.1 Quy trình sản xuất gelatin từ cá tuyết

4.2 Công nghệ sản xuất gelatine từ da

 Nguyên liệu đầu vào ( da) được xe chở đến cân kiểm soát nguyên liệu đầu vào và bộ phận KCS kiểm tra chất lượng nguyên liệu

 Nguyên liệu từ cân kiểm soát nguyên liệu đầu vào được rửa sạch khỏi những chất bẩn trong quá trình vận chuyển cũng như thao tác làm việc

 Nguyên liệu được trộn với kiềm sau đó chuyển vào bồn trung hòa để làm chua

 Nguyên liệu được làm chua bởi acid (PH=3-4) trong thời gian 3-12h

 Nguyên liệu sau khi loại bỏ acid thừa sẽ được đưa vào bộ phận trích ly ( nung ở nhiệt độ 70°C-90°C trong 4-6h ) nhằm thu được gelatin lỏng thô (collagen).

 Gelatin lỏng thô (collagen) được lọc thô nhằm loại bỏ chất cặn, đi qua bộ phận trao đổi ion và được gia nhiệt trở thành gelatin lỏng tinh chất

 Gelatin lỏng tinh chất được đưa vào hệ thống cô đặc 3 hiệu ứng ( thiết bị cô đặc chân không ) ở nhiệt độ 45-50°C làm cho quánh đặc rồi đưa qua máy khử trùng

 Gelatin ra khỏi máy khử trùng được đưa vào máy làm sợi

và hệ thống sấy bằng hơi khô ( nhiệt độ 50°C đến 55°C) nhằm khử ẩm và trở thành Gelatin bán thành phẩm

 Gelatin bán thành phẩm ra khỏi hệ thống sấy được đưa vào máy nghiền nhằm nghiền mịn.

 Gelatin được nghiền mịn được đưa vào máy trộn hỗn hợp nhằm tạo màu theo yêu cầu của khách hàng

 Gelatin sau khi trộn màu được đưa vào bộ phận đóng gói sản phẩm trở thành gelatin thành phẩm

5 Quá trình xử lý gelatine

5.1 Xử lý bằng acid

 Qúa trình này thích hợp cho các nguyên liệu chứa ít liên kết như xương của gia súc non ,da lợn Phương pháp xử lý này trái ngược với quá trình xử lý bằng kiềm kéo dài,xử lý bằng acid chỉ xảy ra trong khoảng thời gian từ 10 -48 giờ

 Nguyên liệu sau khi rửa trong dung dịch acid loãng 1-5% (acid HCL, H2SO4, H3PO4 ),pH thay đổi từ 3,5- 4,5 và nhiệt độ tối ưu của quá trình là 15 độ C Quá trình kết thúc khi toàn bộ nguyên liệu được acid hóa hoặc đạt độ trương

nở tối đa,lượng acid thừa được loại ra và rửa nguyên liệu

đã xử lý bằng nước lạnh

6 Quá trình trích ly gelatin

 Để trích ly gelatine, nguyên liệu thô được đặt trong thùng trích ly và được bao bọc bởi nước nóng Chuỗi quá trình trích ly được đưa qua nhiều nước nóng liên tiếp một cách nhanh chóng, mỗi quá trình trích ly đến một mức độ nào đó cần nhiệt độ nóng hơn lần đầu tiên trong khoảng từ 55-100°C Mỗi quá trình trích ly thường kéo dài từ 4h đến 8h Chất lượng gelatine cao nhất, dù được quyết định bởi khả năng tạo gel, nhưng khi trích ly ở những nhiệt độ thấp hơn, ở những nhiệt độ này chuỗi polypeptide ít thủy phân hơn Mỗi quá trình trích ly tiếp theo thì gel tạo ra sẽ ít hơn và sản phẩm có màu đậm hơn

 Ở cuối các chu trình trích ly mỡ có thể được loại bỏ bởi

sự tách bọt và sau đó đem phần lỏng nấu hoặc làm lắng trong một thời gian ngắn thì chất béo có thể được loại bỏ.Tất cả phần lỏng chứa từ 2- 4% gelatine được lấy ra trước quá trình thêm nước nóng Các quá trình trích ly khác nhau có thể được kết hợp với nhau để tăng đem lại chất lượng gelatin theo yêu cầu trước quá trình lọc để loại

bỏ chất béo còn lại và các chất lơ lửng trong dung dịch Than hoạt tính được xử dụng để làm giảm màu sắc lượng tro của gelatine trong lúc này là 2- 3% và nếu giá trị thấp hơn yêu cầu thì sự trao đổi ion có thể được sử dụng Nhiều người dùng dược phẩm và phim ảnh chỉ định những lượng tro thấp hơn

 Những chất lỏng nhẹ, là những chất hoàn toàn tinh khiết

và trong suốt, liên tục bốc hơi cho đến khi độ nhớt tăng làm đẩy nhanh sự tập trung bằng sự bay hơi cưỡng bức Điều này xảy ra ở nồng độ khoảng 8-12% trong gelatine chất lượng cao và khoảng 15-20% trong nguyên liệu chất lượng thấp

 Sau quá trình bốc hơi là quá trình làm khô bằng không khí, chất lỏng bắt đầu đưa lên một băng tải rộng liên tục để sản xuất ra gel cứng Những tấm gel mỏng được đặt trên những tấm lưới kim loại và thổi không khí lạnh đi qua cho đến khi một bề mặt nở ra, sau đó cho không khí nóng qua

để hoàn thành quá trình sấy Tổng hợp tất cả những tấm trong suốt được làm nền khi cần thiết.Ngoài ra, còn có những phương pháp sấy khác bao gồm sấy phun và con lăn khô

 Đối với gelatin thực phẩm, tất cả thiết bị cần phải được chế tạo để tránh nhiễm kim lọai nặng và nhôm,

có thể sử dụng niken cho quá trình xử lý gelatin bằng acid hoặc phổ biến hơn là sử dụng ion cho cả quá trình xử lý bằng acid hoặc kiềm

 Gelatin trong sản phẩm, thành phần thực nghiệm tương tự nhau Điển hình là chứa 8-12% ẩm, ít hơn mặc dù có sự khác biệt lớn về chức năng và thuộc tính lưu biến nhưng có những 2% tro,phần còn lại là protein(gelatin)

II Tính chất

 Về bản chất cấu tạo của gelatin là protein Protein chiếm

từ 85-92%, còn lại là muối khoáng và luợng ẩm còn lại sau khi sấy Gelatin là chất rắn dạng miếng, vảy, bột hoặc hạt, không mùi không vị, trong suốt có màu từ vàng nhạt đến hổ phách Gelatin tan trong nước nóng, các rượu đa chức như: glycerol, propylene glycol, sorbitol…, acid acetic và tan trong các dung môi hữu cơ Gelatine trương

nở khi cho vào nước lạnh, lượng nước hấp thu gấp 5- 10 lần thể tích chính nó

 Gelatin được sản xuất bằng sự thủy phân hoàn toàn collagen Tương phản với cấu trúc protein hình cầu, collagen có cấu trúc dạng thẳng, và cấu trúc giống sợi

1 Trong dung dịch

 Các collagen đơn phân tử (tropocollagen) là bộ ba chuỗi xoắn, có chiều dài khoảng 300 nm đường kính nguyên tử 1,5nm và nặng khoảng 30000 Ở nhiệt

độ trung bình( ~ 40°C) cấu trúc xoắn tháo xoắn để làm tăng hỗn hợp chuỗi xoắn α (khối lượng phân tử khoảng 100000), chuỗi β chứa 2 liên kết đồng hóa trị của chuỗi α và chuỗi γ có 3 chuỗi α liên kết với nhau bằng liên kêt cộng hóa trị Cấu tạo của những chuỗi acid amin hơi bất thường ở bảng(4.2), bởi vì thành phần glycine chiếm 1/3 tất cả các gốc và các polypeptit cũng rất giàu proline và hydroxyproline

 Các acid amin chứa S hầu như không có và những liên kết chéo trong chuỗi không có liên quan đến những gốc đó

nó làm cho chuỗi có độ bền cao Số lượng liên kết như thế tăng lên.

 Mặc dù ở nhiệt độ thấp nhưng những phân tử gelatin vẫn

dễ dàng kết hợp lại với nhau tạo thành dạng gel ở 40°C, những gelatin trên được giả thiết để tồn tại như một vòng xoắn ngẫu nhiên và hầu hết các phép đo vật lý cũng đều thừa nhận điều này

2 Trong gel

 Mặc dù ở nhiệt độ từ 35- 40°C gelatin trong dung dịch được xử lý như những vòng xoắn ngẫu nhiên, có thể làm mất một số cấu hình chuyển tiếp vô hạn, nhưng ở điều kiện mát mẻ sự đông tụ dung dịch bắt đầu xuất hiện và ở nồng độ khoảng trên 1%, phụ thuộc vào chất lượng của gelatin và pH, độ sạch, gel trong suốt sẽ hình thành

 Không giống với hầu hết các protein & gelpolysaccharide, gelatin gel không bền nhiệt khi đun nóng đến 35-40C gel

sẽ bị tan chảy Đó là tính chất làm cho gelatin trở thành một thành phần hữu dụng duy nhất và gel sẽ “ tan chảy trong miệng″

III Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng gelatin

 Mặc dù nền công nghiệp sản xuất gelatin đã có từ 2 thế kỉ nhưng phương pháp thử nghiệm các phép so sánh thì chỉ mới phát triển khoảng 70-80 năm trước Ban đầu người ta chủ yếu tập trung vào độ cứng của gel dưới một điều kiện chuẩn Sau đó những phương pháp vật lí khác đã nhận ra những thành phần đặc biệt trong gelatin Ngày nay người

ta sử dụng những phương pháp kiểm tra về tính chất vật lí, hóa học và vi sinh bên cạnh những phương pháp kiểm tra

độ bền tiêu chuẩn của gelatin (BP,1993,USP NF,1995)

1 Cường độ Bloom

 Cường độ Bloom về bản chất là độ cứng của gel gellatine được hình thành từ những điều kiện chuẩn Bloom là lực được tính bằng gram khi dùng piston đường kính 12.5mm

ấn xuống 4mm vào dung dịch gelatin nồng độ 12.5% ở 10°C Các keo trên thị trường được phân hạng từ 32 đến 512g Mẫu càng cứng số Bloom càng cao Bloom gelomater được phát triển và được cấp bằng sáng chế bởi O.T.Bloom vào năm 1925

 Phương pháp kiểm tra bloom gelatin là 1 bản ghi lặp đi lặp lại nhiều lần và được kiểm tra thường xuyên nếu độ

Hai thiết bị đo độ Bloom

2 Độ tinh khiết

2.1 Độ màu và độ trong

 Phương pháp trực quan xác định độ màu và độ

trong của gelatin sử dụng dung dịch gelatin 6.67% so sánh với một chuẩn tham khảo được sử dụng rộng rãi

 Độ trong được xác định bằng nephelometer hoặc spectrophotometer khi đo dung dịch gelatin 6.67% ở bước sóng 620nm

 Độ màu có thể được xác định bằng

spectrophotometer khi đo dung dịch gelatin 6.67% ở bước sóng 450nm

pH dung dịch (1%) thường ở khoảng 5 nhưng cũng có thể thay đổi đáng kể.Ở pH này độ nhớt của gelatin loại B đạt tối thiểu và cường độ gelatin là cực đại Do đó, theo quan điểm của nhà sản xuất, gelatin ở pH này là có lợi Tuy nhiên, do khả năng đệm tốt của gelatin nên pH này chưa hẳn tốt nhất cho người sử dụng

Độ màu và độ trong của dung dịch gelatin được đo bằng

phương pháp trực quan hoặc thiết bị

Độ ẩm có thể lên đến 16%, thông thường là 10 đến 13%

vì ở độ ẩm 13% nhiệt độ thủy tinh hóa của gelatin là 64°C, giúp giảm kích thước các hạt và làm quá trình chế biến dễ dàng hơn Ở độ ẩm 6 đến 8% gelatin có tính hút ẩm cao và khó xác định chính xác tính chất vật lí

2.3 Độ ẩm

2.4 Tro

Lượng tro được tính bằng cách nhiệt phân ở 550°C Thông thường lượng tro lên đến 2.5% có thể chấp nhận được trong công nghệ thực phẩm Tuy nhiên, bản chất của tro mới quan trọng Ví dụ như 2% Canxi sunphat trong gelatin tạo độ trong rất tốt mặc dù vượt quá tích số tan (do hiện tượng biến đổi tinh thể của gelatin), nhưng khi pha loãng gelatin theo công thức làm kẹo, tro tạo tủa Hơn nữa, amoniac thường được sử dụng làm chất thay đổi pH trong các công đoạn chế biến gelatin và muối như NH4Cl không được xác định bằng phương pháp nhiệt phân

2.5 SO2

SO2 được sử dụng làm chất diệt khuẩn và tẩy trắng trong sản xuất gelatin Hàm lượng dư SO2 cho phép trong gelatin thay đổi tùy theo quốc gia và các phương pháp xác định cho kết quả rất khác nhau Gelatin có khả năng thúc đẩy các phản ứng oxy hóa khử và việc kiểm soát chất ô nhiễm này không dễ dàng H2O2 thường được dùng để kiểm soát lượng SO2 của gelatin và đôi khi lượng cho phép của SO2 cũng có thể xác định được Điều thú vị là cả H2O2 và SO2 tồn tại đồng thời trong gelatin

2.6 Kim loại nặng

Việc xác định kim loại nặng trong gelatin có thể gặp khó khăn vì khả năng khó phân huỷ hoàn toàn của gelatin và các thành phần chính trong tro có tính tan thấp như CaSO4 làm thay đổi khả năng hấp thu lượng vết của kim loại nặng