Nghiên cứu công nghệ làm sạch tạp chất phi collagen trong qui trình sản xuất collagen từ da cá trasử dụng kiềm NaOH và nước ấm

i LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình và thầy Nguyễn Thế Hân cùng các thầy cô giáo đã hướng dẫn cho em nhiệt tình và động viên em trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Em xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trường đại học Nha Trang, Khoa Chế biến, phòng thực hành công nghệ chế biến, phòng thực hành hóa sinh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và hỗ trợ cho em trong quá trình học tập và thực hiện đề tài nghiên cứu của mình. Em xin cảm ơn các cán bộ, thầy cô giáo trong khoa chế biến đã giảng dạy và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài. Và đặc biệt, em muốn cảm ơn tới gia đình em, các anh chị và những các bạn đã luôn chia sẻ, ủng hộ em trong những năm tháng học tập và làm đề tài. Xin chân thành cảm ơn ! Nha Trang, tháng 7 năm 2010 Sinh viên thực hiện Vũ Thị Hồng ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC BẢNG v DANH MỤC HÌNH, SƠ ĐỒ vi LỜI MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3 1.1. TỔNG QUAN VỀ COLLAGEN 3 1.1.1. Định nghĩa về Collagen 3 1.1.2. Phân loại: 3 1.1.3. Cấu tạo và cấu trúc của Collagen 3 1.1.4. Tính chất của collagen 5 1.1.4.1. Thành phần acid amin 5 1.1.4.2. Sự hút nước của Collagen 5 1.1.4.3. Sự tương tác của Collagen với acid và kiềm 6 1.1.4.4. Tính chất bền của Collagen 7 1.1.4.5. Những tính chất khác của collagen. 7 1.1.5. Ứng dụng của Collagen. 8 1.1.5.1. Ứng dụng trong ngành thực phẩm. 8 1.1.5.2. Ứng dụng trong ngành mỹ phẩm. 9 1.1.5.3. Ứng dụng trong y học 11 1.1.6. Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước 12 1.1.6.1. Trong nước 12 1.1.6.2. Ngoài nước 12 1.2. TỔNG QUAN VỀ CÁ TRA VÀ DA CÁ TRA 13 1.2.1. Khái quát chung về cá Tra 13 1.2.1.1. Đặc điểm hình thái. 13 1.2.1.2. Vị trí và phân loại 14 1.2.1.3. Đặc điểm sinh học 15 iii 1.2.1.4. Thành phần khối lượng và hóa học cá Tra 18 2.1.1. Tình hình phát triển ngành nuôi cá Tra và xuất khẩu cá Tra ở Việt Nam 20 2.1.1.1. Xu hướng phát triển nghề nuôi cá Tra ở Việt Nam. 20 2.1.1.2. Sản lượng nuôi và tình hình xuất khẩu cá Tra ở Việt Nam 21 2.1.2. Nguyên liệu da cá Tra 23 2.1.3. Tổng quan về công nghệ sản xuất Collagen 25 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27 2.1. Đối tượng nghiên cứu 27 2.1.1. Da cá 27 2.1.2. Hóa chất 27 2.1.3. Thiết bị sử dụng để làm thí nghiệm 27 2.2. Phương pháp nghiên cứu 28 2.2.1. Phương pháp thu mua và xử lý mẫu 28 2.2.2. Phương pháp phân tích 28 2.2.3. Phương pháp xử lý số liệu 29 2.2.4. Phương pháp tối ưu hóa các thông số kỹ thuật 29 2.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm 29 2.3.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định chế độ ngâm nước ấm cho da cá Tra 29 2.3.2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định chế độ xử lý kiềm NaOH cho da cá Tra 31 2.3.2.1. Bố trí thí nghiệm theo phương pháp cổ điển 31 2.3.2.2. Sơ đồ thí nghiệm tối ưu hóa nồng độ NaOH và thời gian bằng phương pháp qui hoạnh thực nghiệm 33 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 36 3.1. Kết quả phân tích thành phần hóa học cơ bản của da cá Tra 36 3.1.1. Kết quả phân tích thành phần hóa học của da cá Tra chưa xử lý cơ học 36 iv 3.1.2. Kết quả phân tích thành phần hóa học cơ bản của da cá Tra đã xử lý cơ học 36 3.2. KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ XỬ LÝ KIỀM NaOH CHO DA CÁ TRA 37 3.2.1. Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng chế độ xử lý kiềm NaOH cho da cá Tra……………… 37 3.2.1.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu/dung dịch kiềm NaOH (w/v) đến hiệu quả khử tạp chất phi Collagen 37 3.2.1.2. Kết quả thăm dò ảnh hưởng thời gian ngâm da cá trong kiềm NaOH 39 3.2.1.3. Kết quả thăm dò ảnh hưởng của nồng độ kiềm NaOH đến hiệu quả xử lý da cá Tra 40 3.3. KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ XỬ LÝ NƯỚC ẤM CHO DA CÁ TRA 41 3.3.1. Kết quả thăm dò thời gian ngâm nước ấm ở nhiệt độ 40 0 C, tỷ lệ w/v=1/10 đến hiệu quả xử lý da cá Tra 41 3.3.2. Kết quả thăm dò thời gian ngâm nước ấm ở nhiệt độ 50 0 C, tỷ lệ w/v=1/10 để xử lý da cá Tra 42 3.4. Kết quả tối ưu hóa chế độ xử lý kiềm NaOH cho da cá Tra (cố định w/v=1/8) 44 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 49 I. KẾT LUẬN: 49 II. ĐỀ XUẤT Ý KIẾN: 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC v DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Dạng cấu trúc phân tử của một số loại Collagen. 5 Bảng 1.2. Các ứng dụng y học của Collagen. 12 Bảng 1.3. Một số loài trong giống cá Tra (Pagasius) ở Việt Nam ( Mai Đình Yến và các ctv, 1992). 15 Bảng 1.4. Thành phần khối lượng cá Tra kích cỡ 1–1.5kg. 18 Bảng 1.5. Thành phần hóa học của cá (%) 19 Bảng 1.6. Thành phần hóa học cơ bản của cá Tra. 19 Bảng 3.1. Thành phần hóa học cơ bản của da cá Tra ban đầu 36 Bảng 3.2. Thành phần hóa học cơ bản của da cá Tra sau khi xử lý cơ học 37 Bảng 3.3. Bố trí thí nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm với biến ảo của công đoạn xử lý kiềm NaOH và kết quả thu được 45 Bảng 3.4. Kết quả tối ưu hóa hiệu suất khử lipid trong công đoạn xử lý kiềm NaOH 47 vi DANH MỤC HÌNH, SƠ ĐỒ Hình 1.1 . Cấu trúc của Collagen 4 Hình 1.2. Hình ảnh trạng thái bên ngoài của cá Tra 14 Hình 2.1. Nguyên liệu da cá Tra 27 Hình 3.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ da cá Tra/dung dịch kiềm NaOH (w/v) đến hiệu quả xử lý của da cá Tra 39 Hình 3.2. Ảnh hưởng của thời gian ngâm da cá trong kiềm NaOH đến hiệu quả xử lý da cá Tra 40 Hình 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ kiềm NaOH đến hiệu quả xử lý da cá Tra 41 Hình 3.4. Ảnh hưởng của thời gian ngâm nước ấm ở nhiệt độ 40 0 C đến hiệu quả xử lý da cá Tra 43 Hình 3.5. Ảnh hưởng của thời gian ngâm nước ấm ở nhiệt độ 50 0 C đến hiệu quả xử lý da cá Tra 44 Hình 3.6. Hiệu suất khử lipid khi xử lý da cá bằng kiềm NaOH 48 Sơ đồ 1. Sơ đồ tổng quát công nghệ sản xuất collagen từ da cá Tra 25 Sơ đồ 2. Sơ đồ quy trình bố trí thí nghiệm thăm dò nhiệt độ ngâm da cá Tra trong các thời gian khác nhau 30 Sơ đồ 3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm thăm dò ảnh hưởng của tỉ lệ (da cá/dung dịch kiềm) w/v đến hiệu quả khử tạp chất phi Collagen 31 Sơ đồ 4. Sơ đồ bố trí thí nghiệm thăm dò thời gian ngâm NaOH đến hiệu quả khử tạp chất phi Collagen 32 Sơ đồ 5. Sơ đồ bố trí thí nghiệm thăm dò nồng độ NaOH đến hiệu quả khử tạp chất phi Collagen 33 1 LỜI MỞ ĐẦU Collagen là một polyme với bản chất là protein dạng sợi chiếm tới 25% tổng lượng protein trong cơ thể người, có chức năng chính là kết nối các mô trong cơ thể lại với nhau. Các nhà khoa học thường ví Collagen giống như một chất keo dính các bộ phận trong cơ thể người thành một khối hoàn chỉnh, nếu không có chúng cơ thể người sẽ chỉ là các phần rời rạc. [5], [9] Hiện nay Collagen được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: ngành công nghiệp thuộc da, ngành mỹ phẩm, phẫu thuật, nha khoa, thuốc viêm mắt, cũng như các ứng dụng khác trong ngành công nghệ sinh học. Trong ngành mỹ phẩm, người ta sản xuất các chế phẩm từ Collagen, nó được sử dụng như một chất chống lão hóa và tái tạo da rất hiệu quả. Trong y học, nhờ tính chất tái tạo cấu trúc mô, Collagen được sử dụng rộng rãi để sản xuất da nhân tạo thay thế cho phần da chết của các vết bỏng, còn được sử dụng trong điều trị về răng; điều trị sau phẫu thuật chấn thương, chỉnh hình. Nghề nuôi cá Tra, basa ngày càng phát triển mạnh mẽ ở đồng bằng Sông Cửu Long. Tính đến tháng 10 năm 2008, diện tích ao nuôi đã lên đến 5.102 ha, tăng 11% so với năm 2007. Sản lượng cá thu được hơn 1 triệu tấn, trong đó hơn 535.000 tấn cá được xuất khẩu qua 117 quốc gia trên thế giới, đạt kim ngạch xuất khẩu 1,250 tỷ USD. Hiện nước ta có khoảng 168 doanh nghiệp xuất khẩu cá Tra, basa. Các doanh nghiệp này có khả năng tiêu thụ khoảng 4.000 tấn nguyên liệu/ngày. Với tỷ lệ này, hằng ngày các nhà máy chế biến thủy sản thải ra môi trường một lượng rất lớn phụ phế phẩm gồm đầu, xương, mỡ, da cá,…Theo ước tính của VASEP (2006), nếu sản lượng cá Tra nguyên liệu đạt 1 triệu tấn vào năm 2008, thì các nhà máy chế biến thủy sản sẽ phải loại bỏ hơn 600.000 tấn phế phẩm cá Tra. Do đó, việc gia tăng giá trị sử dụng nguồn phế liệu này trở thành một yêu cầu cấp thiết nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng của nguyên liệu, tăng thu nhập cho nhà sản xuất và giảm tác động xấu đến môi trường, chi phí xử lý chất thải. [25], [34] Qui trình sản xuất Collagen gồm các công đoạn chủ yếu sau: xử lý nguyên liệu Khử tạp chất phi Collagen Chiết Kết tủa Sấy Thành 2 phẩm. Trong đó công đoạn khử tạp chất phi Collagen (lipid, protein phi Collagen, khoáng và sắc tố) là các bước công việc rất quan trọng trong qui trình. Vấn đề cấp bách đặt ra là nghiên cứu tìm môi trường khử tạp chất phi Collagen phù hợp để thu được hiệu quả khử tốt nhất, ít ảnh hưởng đến chất lượng Collagen nhất và thân thiện với môi trường. Xuất phát từ thực tế này, tôi đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ làm sạch tạp chất phi Collagen trong qui trình sản xuất Collagen từ da cá Tra sử dụng kiềm NaOH và nước ấm”. Nội dung của đề tài bao gồm:  Nghiên cứu thành phần hóa học cơ bản của da cá Tra  Nghiên cứu chế độ khử tạp chất phi Collagen trong môi trường nước ấm.  Nghiên cứu chế độ khử tạp chất Collagen trong môi trường kiềm. 1. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Nghiên cứu là cơ sở cho quá trình sản xuất Collagen từ da cá Tra. Nếu quy trình sản xuất Collagen này được hoàn thiện và ứng dụng vào sản xuất sẽ gia tăng giá trị sử dụng nguồn phế liệu da cá này, tăng thu nhập cho nhà sản xuất và giảm tác động xấu đến môi trường, chi phí xử lý chất thải. 2. Ý nghĩa khoa học của đề tài Đề tài cung cấp những kết quả về hiệu suất khử tạp chất phi Collagen trong một số môi trường khác nhau. Kết quả này là tài liệu tham khảo cho nhà nghiên cứu trong việc lựa chọn môi trường xử lý phù hợp để khử protein, lipid và khoáng từ da cá Tra một cách hiệu quả nhất. Thành phần hóa học cơ bản của da cá Tra trước và sau khi xử lý cơ học là thông tin cần thiết cho nhà nghiên cứu trong việc lựa chọn công nghệ phù hợp cho quá trình sản xuất Collagen. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. TỔNG QUAN VỀ COLLAGEN 1.1.1. Định nghĩa về Collagen Collagen là thành phần chính cấu thành các bộ phận của cơ thể người và động vật như da, gân, xương, răng, sụn, dây chằng…Collagen là một loại protein chiếm khoảng 25%-30% tổng lượng protein trong cơ thể động vật có vú, nó có chức năng chính là kết nối các mô trong cơ thể lại với nhau. [5], [8], [9] 1.1.2. Phân loại: Hiện nay, người ta đã tìm thấy 29 loại Collagen khác nhau nhưng đa số là Collagen loại I, II, III, IV và V. Tất cả các loại Collagen đều chứa đơn vị cấu trúc là xoắn bộ ba, nhưng độ dài của xoắn bộ ba là rất khác nhau tùy thuộc vào loại Collagen. Collagen loại I thường là thành phần chủ yếu trong da, gân và xương; trong khi đó, Collagen loại II lại được tìm thấy chủ yếu trong sụn. Các phân tử Collagen loại I, II, III là dạng sợi mỏng, dài có cấu trúc đơn giản. Ngược lại Collagen loại IV lại có cấu trúc phức tạp với dạng mạng lưới 2 cấp. [9] 1.1.3. Cấu tạo và cấu trúc của Collagen Công thức hóa học: C 4 H 6 N 2 O 3 R 2 .(C 7 H 9 N 2 O 2 R) n . [5] Công thức cấu tạo: [5] 4 Cấu trúc phân tử: Hình 1.1: Cấu trúc của Collagen a) Cấu trúc của Collagen b) Cấu trúc của xoắn bộ ba Cấu trúc phân tử của Collagen được mô tả ở hình 1.1. Collagen có cấu trúc rất phức tạp, là một dạng protein cấu trúc sợi dài. Tropocollagen là đơn vị cơ sở của Collagen, có hình trụ đường kính khoảng 1,5nm, chiều dài khoảng 300nm; do 3 chuỗi polypeptid cuộn lại thành. Chuỗi polypeptide có thể là dạng chuỗi alpha 1 (α 1 ) hoặc chuỗi alpha 2 (α 2 ). Trong mỗi chuỗi polypeptid có các đoạn cấu trúc (Gly- X-Y) n lặp lại nhiều lần. Trong đó n=5 hoặc 6, X: proteinoline/hidroxyproteinoline , Y: alanine/hidroxyproteinoline. [28] Các phân tử Collagen có thể tương tác với nhau và đàn hồi được là do các cầu đồng hóa trị giữa nhóm -NH 2 của gốc hydroxylysine có chứa aldehyd của gốc lysine hoặc gốc hydroxylysine nằm ở phần không xoắn ốc. Dạng cấu trúc của một số loại Collagen được trình bày ở bảng 1.1. [...]... bỏng Collagen dạng bọt xốp từ da động vật Giải phẫu trong da Collagen dạng sợi có khả năng tái tạo Hệ thống phân tán thuốc Các dạng có mức phân giải khác nhau 1.1.6 Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.1.6.1 Trong nước Năm 2000 các nhà khoa học của Đại học Cần Thơ đã nghiên cứu chiết rút Gelatin (một chất dẫn xuất của Collagen từ da cá Tra) Trong nghiên cứu này một số tính chất lý hóa của Collagen. .. acid, kiềm, nước Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, tôi chỉ nghiên cứu chế độ khử tạp chất phi Collagen sử dụng môi trường kiềm và nước ấm  Chiết, kết tủa Collagen: Chiết và kết tủa nhằm thu nhận dịch Collagen trước khi đi vào các bước tinh sạch tiếp theo Da cá sau khi đã xử lý loại bỏ các thành phần phi Collagen được chiết và kết tủa nhiều lần bằng acid hữu cơ và muối ăn  Làm khô, bao gói và bảo... thành phần và số lượng acid amin… Da cá Tra Xử lý cơ học Xử lý tách tạp chất phi Collagen Chiết, kết tủa Collagen Làm khô Collagen Sơ đồ 1: Sơ đồ tổng quát công nghệ sản xuất Collagen từ da cá Tra 26 Thuyết minh quy trình:  Nguyên liệu: da cá sử dụng cho thí nghiệm phải có màu sắc và mùi tự nhiên Da cá được bảo quản đông (nhiệt độ bảo quản -200C) trong túi PE (5kg/ block) đến khi sử dụng  Xử lý... đã nghiên cứu thành công việc chiết rút Collagen từ da động vật như: bò, lợn, cá da trơn, một số loại thực vật và ứng dụng nguồn Collagen này hiệu quả trong điều trị thẩm mỹ Như đã phân tích ở trên, Collagen có khả năng giữ nước cho da nên nó được sử dụng là một thành phần quan trọng trong hầu hết các sản phẩm mỹ phẩm Sản phẩm “Phials of Collagen and Elastin” với các thành phần chính là Collagen từ da. .. Choi và các cộng sự đã nghiên cứu và đưa ra quy trình chiết Collagen từ da mực với công đoạn xử lý bằng kiềm NaOH Kết quả cho thấy hiệu suất thu Collagen đạt 70-76% Nghiên cứu này đã xác định được tính chất lý, hóa của Collagen Theo đó, nhiệt độ biến tính là 27,30C; khả năng giữ nước là 99,7%, thành phần và số lượng các acid amin và các phân tích cấu trúc của Collagen này [15] Tác giả Sionkowska và các... tính của Collagen sản xuất từ nguyên liệu khác nhau là rất khác nhau Hầu hết các Collagen có nhiệt độ biến tính nằm trong khoảng 16-350C Collagen sản xuất từ các phụ phẩm thủy sản có nhiệt độ biến tính thấp hơn hẳn so với Collagen sản xuất từ động vật trên cạn Ví như, Collagen từ da mực có nhiệt độ biến tính 27,10C, trong khi đó nhiệt độ biến tính của Collagen từ gân bò lên đến 360C Collagen từ phụ phẩm... trên vai trò cấu trúc và tính phù hợp với cơ thể của Collagen, nên nó dược sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp, thực phẩm, y học và dược phẩm đặc biệt sử dụng làm chất hỗ trợ chức năng của thuốc Hơn nữa, Collagen được sử dụng rất phổ biến trong công nghệ sản xuất các sản phẩm mỹ phẩm dạng lỏng nhờ vào khả năng giữ nước của nó Ngày nay, có nhiều nghiên cứu trong việc sử dụng Collagen như một thực... lượng các acid amin, khối lượng phân tử) đã được xác định Tác giả Võ Quốc Văn và Hà Thanh Toàn (năm 2008) đã nghiên cứu sản xuất gelatin từ da cá Tra Tạp chí thương mại thủy sản, số 5-6/2008 Tác giả Trần Thị Huyền (năm 2009) đã sử dụng phương pháp hóa học để chiết rút Collagen từ da cá Tra Chất lượng của Collagen đã được đánh giá thông qua các chỉ tiêu cảm quan Tuy nhiên trong nghiên cứu này các tính chất. .. phần lớn các sản phẩm Collagen nguyên chất đều được chiết xuất trực tiếp từ da động vật: lợn, bò, cừu và cá da trơn được ứng dụng để điều trị da và mắt Collagen đã được sử dụng rộng rãi trong phẫu thuật thẩm mỹ, làm tái tạo xương, phẫu thuật chỉnh hình và hỗ trợ chữa bệnh cho bệnh nhân bỏng và làm màng bao thuốc… [27], [33] Collagen được làm dưới dạng những miếng nhỏ (có kích thước phù hợp để sản xuất. .. phần nhỏ lẻ khác sản xuất Gelatin, còn hầu hết phần lớn lượng da cá này được xuất khẩu đông lạnh với giá thành rất rẻ Thành phần hóa học của da cá nói chung thường bao gồm khoảng 60-70% là nước, một ít chất vô cơ, còn lại là protein và chất béo Protein của da cá chủ yếu là Collagen, elastin, keratin, rutin, globulin, và albulmin [9] Như vậy việc nghiên cứu sản xuất Collagen từ da cá Tra là rất cần . đến chất lượng Collagen nhất và thân thiện với môi trường. Xuất phát từ thực tế này, tôi đã thực hiện đề tài Nghiên cứu công nghệ làm sạch tạp chất phi Collagen trong qui trình sản xuất Collagen. Collagen từ da cá Tra sử dụng kiềm NaOH và nước ấm . Nội dung của đề tài bao gồm:  Nghiên cứu thành phần hóa học cơ bản của da cá Tra  Nghiên cứu chế độ khử tạp chất phi Collagen trong môi. nước ấm.  Nghiên cứu chế độ khử tạp chất Collagen trong môi trường kiềm. 1. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Nghiên cứu là cơ sở cho quá trình sản xuất Collagen từ da cá Tra. Nếu quy trình sản