TÌM HIỂU về COLLAGEN và ỨNG DỤNG của COLLAGEN TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

TÌM HIỂU về COLLAGEN và ỨNG DỤNG của COLLAGEN TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu, quý thầy cô Bộ môn Công nghệ thực phẩm, Khoa Khoa học Nông Nghiệp, Trường Đại Học Cửu Long đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quý báu cho em trong suốt thời gian học tập tại trường. Đó là nền tảng vững chắc để em thực hiện tốt đề tài “Tìm hiểu về collagen và ứng dụng của collagen trong công nghệ thực phẩm”.Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn đến cô Trần Ngọc Điệp, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ dạy và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đề tài cũng như trong suốt thời gian học tập tại trường.Em cũng xin cảm ơn các bạn lớp Công nghệ thực phẩm khóa 16, đặc biệt là các bạn trong nhóm đã hỗ trợ và giúp đỡ trong quá trình thực hiện đề tài cũng như trong học tập.Cuối lời, em kính chúc quý thầy cô và các bạn lôn thành công trong công việc và cuộc sống.Chân thành cảm ơn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CỬU LONG

KHOA KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP

VĨNH LONG, 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CỬU LONG

KHOA KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

ThS TRẦN NGỌC ĐIỆP

VĨNH LONG, 2018

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu, quý thầy cô Bộ mônCông nghệ thực phẩm, Khoa Khoa học Nông Nghiệp, Trường Đại Học Cửu Long đãtận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quý báu cho em trongsuốt thời gian học tập tại trường Đó là nền tảng vững chắc để em thực hiện tốt đề tài

“Tìm hiểu về collagen và ứng dụng của collagen trong công nghệ thực phẩm”

Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn đến cô Trần Ngọc Điệp, người đã tận tình hướng dẫn,chỉ dạy và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đề tài cũng như trong suốt thời gianhọc tập tại trường

Em cũng xin cảm ơn các bạn lớp Công nghệ thực phẩm khóa 16, đặc biệt là các bạntrong nhóm đã hỗ trợ và giúp đỡ trong quá trình thực hiện đề tài cũng như trong họctập

Cuối lời, em kính chúc quý thầy cô và các bạn lôn thành công trong công việc và cuộcsống

Bảng 1 Thành phần collagen trong cá 3 Bảng 2 So sánh thành phần các acid amin trong collagen và các loại protein khác 4

DANH MỤC HÌN

Hình 1 Công thức cấu tạo của hydroxyproline 5

Hình 2 Cấu trúc sợi của collagen 5

Hình 3 Trình tự sắp xếp các acid amin trong phân tử collagen 5

Hình 4 Collagen dùng trong phẩu thuật thẩm mỹ 11

Hình 5 Sản phẩm kẹo dẻo có vỏ màng là collagen hydrolysate 12

Hình 6 Sản phẩm phô mai có chứa collagen hydrolysate làm giảm hàm lượng béo 13

Hình 7 Sản phẩm thịt nguội 15

MỤC LỤ

LỜI CẢM ƠN i

DANH MỤC BẢNG ii

DANH MỤC HÌNH iii

MỤC LỤC iv

MỞ ĐẦU 1

I Tổng Quan Về Collagen 2

1 Giới thiệu 2

2 Nguồn gốc thu nhận collagen 2

3 Thành phần và cấu trúc 3

4 Phân loại collagen 6

5 Tính chất của collagen 6

6 Thu nhận collagen 7

7 Quy trình tách chiết collagen 8

8 Ứng dụng của collagen 10

II Ứng dụng của collagen trong thực phẩm 11

1 Ứng dụng collagen trong công nghiệp sản xuất bánh kẹo 12

2 Trong công nghiệp sản xuất sữa và các sản phẩm từ sữa 12

3 Trong công nghiệp sản xuất đồ uống 13

4 Ứng dụng collagen trong chế biến thịt và thủy sản 14

KẾT LUẬN 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO

MỞ ĐẦU

Thế giới ngày nay với sự phát triển không ngừng về kinh tế xã hội và con người Cuộcsống thay đổi theo chiều hướng tốt đẹp hơn, con người được tạo điều kiện phát triểntối đa khả năng của mình, nhu cầu của con người ngày càng được đáp ứng đầy đủ.Việt Nam là quốc gia có tiềm năng xuất khẩu thủy sản rất lớn Tại các nhà máy chếbiến thủy sản, cá tươi được lóc hai miếng phi-lê để chế biến xuất khẩu, phần còn lạichiếm khoảng 60% gồm da, xương, đầu, bụng, mỡ, Hiện nay mỡ cá được nghiên cứuứng dụng làm biodesel hoặc xuất thô sang Trung Quốc, các phần còn lại được sản xuấtthành bột cá làm thức ăn gia súc Nếu như phế phẩm của các ngành công nghiệp nàychỉ được chế biến thành bột thức ăn gia súc hay các dạng sản phẩm thô, giá trị thấp thìhiệu quả kinh tế mang lại không cao hoặc nế như loại bỏ hẳn thì phải tốn thêm chi phícho việc xử lý chất thải Trong khi đó thành phần chính trong da, xương là collagen córất nhiều ứng dụng trong công nghiệp mỹ phẩm, dược phẩm và gần đây được ứngdụng khá nhiều trong công nghiệp thực phẩm Cho nên việc ứng dụng các phụ phẩmnày vào nhiều ngành khác nhau đặc biệt là trong ngành thực phẩm có ý nghĩa quantrọng Vì vậy nhận thấy được nhu cầu về collagen rất lớn trong những năm gần đâythêm vào đó nguồn nguyên liệu da và xương cá để sản xuất collagen ở nước ta khá dồidào, ổn định, giá rẻ và có tiềm năng phát triển nên tôi chọn đề tài “Tìm hiểu vềcollagen và ứng dụng của collagen trong công nghiệp thực phẩm” với mong muốn gópphần nâng cao về hiệu quả kinh tế đồng thời góp phần vào việc giảm thiểu ô nhiễmmôi trường

1

2 Nguồn gốc thu nhận collagen

Cá là nguồn cung cấp nguồn nguyên liệu thô tốt nhất vì:

- Dễ tìm, sẵn có để sử dụng

- Không có sự lây truyền bệnh

- Không gặp phải trở ngại về mặt tôn giáo

- Có khả năng thu được collagen với hiệu suất cao

Khoảng 70% tổng trọng lượng cơ thể của cá bị bỏ dưới dạng các phế phẩm như: da,xương, đầu, ruột, trong suốt quá trình chế biến Việc tận dụng những chất thải này cóthể nâng giá trị kinh tế của loài cá lên

Dựa vào thành phần % của tổng lượng collagen tính trên tổng lượng protein, cácloài cá được chia thành 3 nhóm:

- Nhóm có hàm lượng collagen thấp: tổng lượng collagen chiếm đến 5% so với tổnglượng protein

- Nhóm có hàm lượng collagen trung bình: tổng lượng collagen chiếm từ 5%-10%tổng lượng protein

- Nhóm có hàm lượng collagen cao: tổng lượng collagen trên 10% tổng lượng protein

2

Bảng 1 Thành phần collagen trong cá

Loại cá

Collagen hòa tan trong acid (so với trọng lượng tươi)

Collagen không hòa tan (so với trọng lượng tươi)

Collagen tổng (so với trọng lượng tươi)

Collagen tổng (so với protein tổng)

- Trong thành phần collagen không chứa cystein và trytophan, nhưng chứa một lượnglớn glycine, chiếm khoảng 33% và proline chiếm tỉ lệ 12% và hydroxyproline chiếm22% Collagen là một trong số ít những protein có chứa hydroxylysine, ngoài ra trongthành phần côlagen còn chứa khoáng, chiếm tỉ lệ 1%

3

Bảng 2 So sánh thành phần các acid amin trong collagen và các loại protein khác

Collagen Casein Albumin

4

Hình 1 Công thức cấu tạo của hydroxyproline

Cấu trúc của collagen

Các chuỗi collagen sắp xếp song song theo chiều dọc liên kết với nhau bằng các liênkết ngang tạo thành các sợi theo chu kỳ nhất định Nhờ vào cấu trúc có trật tự, độ bềnvốn có của các chuỗi xoắn ốc được chuyển sang các sợi collagen, cung cấp cho các mô

độ cứng, độ đàn hồi và những đặc tính cơ học riêng Vì thế collagen rất chắc, dai vàbền

Hình 2 Cấu trúc sợi của collagen

Hình 3 Trình tự sắp xếp các acid amin trong phân tử collagen

4 Phân loại collagen

Collagen tồn tại ở nhiều bộ phận trong cơ thể Đã có 29 loại collagen được tìm thấy vàthông báo trong các tài liệu khoa học Trên 90% collagen trong cơ thể là dạng I, II, III

và IV

5

• Collagen I: có trong da, gân, mạch máu, các cơ quan, xương (thành phần chính củaxương)

• Collagen II: có trong sụn xương (thành phần chính của sụn)

• Collagen III: có trong bắp (thành phần chính của bắp), tìm thấy bên cạnh collagen I

• Collagen IV: thành phần chính cấu tạo màng tế bào

Các bệnh về collagen thường do sự khiếm khuyết của gene gây nên tác động cho quátrình tổng hợp sinh hóa, sự sắp xếp, sự sao chép bị thay đổi, hoặc các quá trình kháctrong việc hình thành của collagen

Sự phân bố từng loại collagen trong cơ thể con người và động vật được thể hiện trongmột bảng nhưng với tính năng diễn đàn không cho phép cho nên mình không đưa rađây, để tham khảo các bạn có thể xem tại

Do nước phân cực tác dụng lên liên kết hydro nên làm giảm tính vững chắc của sợigelatin từ 3-4 lần Khi nhiệt độ tăng lên cao, tính hoạt động của mạch polypeptidetương đối nhỏ Khi nhiệt độ tăng lên 60-65oC collagen hút nước bị phân giải

- Tác dụng với acid, kiềm

Collagen có thể tác dụng với acid và kiềm, do trên mạch của collagen có gốc carboxyl

và amin Hai gốc này quyết định hai tính chất của nó TRong điều kiện có acid tồn tại,ion của nó tác dụng với gốc amin, điện tích trên carboxyl bị ức chế (hình thành acidyếu có độ ion hóa thấp) Trái lại gốc amin bị ion hóa tạo NH3

- Khả năng hòa tan

Collagen tan trong glycerin, acid acetic, ure nhưng không tan trong nước lạnh.Collagen đã được phân chia thành bốn lớp trên cơ sở tính hòa tan trong các dung dịchđệm khác nhau: tan trong muối trung tính, tan trong acid, tan trong kiềm và không tantrong kiềm

- Khả năng tạo nhũ tương

6

Là một protein không tan, collagen có thể có ít dấu hiệu cho thấy là một chất nhũ hóa.Tuy nhiên, thực ra collagen có nguồn gốc từ da sống được xử lý và biến tính ở mức độkhác nhau có thể là một chất nhũ hóa tốt hơn sữa gầy.

Sau khi bị biến tính collagen thường có các tính chất như:

Độ hòa tan giảm do làm lộ các nhóm kỵ nước vốn ở bên trong, tức là khi collagenchưa biến tính, các acid amin có các nhóm kỵ nước nằm bên trong phân tử collagen,.Khi bị biến tính, phân tử collagen lúc này chỉ là trình tự sắp xếp các acid amin mạchthẳng, làm cho các nhóm kỵ nước lộ ra bên ngoài nên độ hòa tan của collagen bị giảmđi

Khả năng giữ nước giảm, cấu trúc bậc 4 giúp collagen có khả năng hydrat hóa tạothành màng hydrat bao quanh Khi biến tính mất đi cấu trúc bậc 4 thì khả năng hydrathóa không còn vì thế collagen giữ nước kém

Tăng độ nhạy đối với sự tấn công của enzyme protease do làm xuất hiện các liên kếtpeptid ứng với tring tâm hoạt động của protease

Tăng độ nhớt hiện tại

Mất khả năng kết tinh, collagen có khả năng kết tinh trong các môi trường muốihoặc cồn Ở các điều kiện pH nhất định dung dịch collagen không bền và kết tinh

6 Thu nhận collagen

- Sự phá vỡ tế bào

Các phân tử collagen không có khả năng đi qua màng tế bào, cho nên cần phá vỡ cấutrúc để chuyển collagen vào dung dịch Người ta có thể phá vỡ cấu trúc tế bào bằngcác biện pháp cơ học như nghiền với bột thủy tinh hoặc cát thạch anh Ngoài ra còn cóthể dùng sóng siêu âm, dùng các dung môi hữu cơ như butanol, acetone, và các chấttẩy rửa Các hóa chất này giúp cho việc phá vỡ các bào quan của tế bào do trong các

cơ quan này thường chứa mỡ Điều này có thể giải thích tại sao trước khi tách chiếtcollagen, da cá thường được tẩy rửa với các hóa chất trên một mặt là để loại sạch tạpchất, mặt khác là để cho da được trương nở hoặc thành tế bào bị phá vỡ, giúp collagen

dễ dàng đi vào dung dịch tách chiết Sự tách chiết protein collagen: Sau khi cấu trúc tếbào bị phá vỡ, việc tách chiết collagen dễ dàng hơn, có thể chiết bằng các dung dịchacid hoặc enzyme

7

Quá trình chiết collagen được thực hiện trong các thiết bị ở nhiệt độ lạnh, trong điềukiện vô trùng, khuấy trộn liên tục để đảm bảo chiết được collagen có chất lượng tốt.

7 Quy trình tách chiết collagen

8

Da cá

Trích lyXay nhỏRửa

NaCl

Thuyết minh quy trình

- Nguyên liệu: Da cá chuyển từ nhà máy về

+ Bảo quản lạnh

+ Rã đông

+ Rửa bằng nước sạch nhiều lần để loại bỏ máu và các tạp chất bẩn khác

- Rửa

Da cá được đem đi rửa sạch bằng nước thường

Mục đích: loại bỏ tạp chất, đất, cát còn lẫn trong da, ảnh hưởng đến sản phẩm trongquá trình chế biến

lý qua 3 lần, mỗi lần tương ứng với thời gian là 1 giờ Sau mỗi lần xử lý, da phải đượcrửa sạch dưới vòi nước đến khi đạt pH=7 trước khi tiến hành ngâm lượt tiếp theo.0,5% chất hoạt động bề mặt được thêm vào tất cả các dung dịch sử dụng trong quytrình nhằm nâng cao khả năng loại mùi

Mục đích: da cá phải được tách béo thuận lợi cho quá trình sau

- Xay nhỏ

Sau khi xử lý da cá được đem đi xoay nhuyễn bằng máy xay

Mục đích: xé nhỏ, làm nhuyễn da cá tạo điều kiện cho quá trình trích ly được triệt để

- Trích ly

Quá trình trích ly collagen được thực hiện ở nhiệt độ 40C trong 24, 48 và 72 giờ vớidung dịch có nồng độ 0,5M của các acid citric và acetic Với mỗi loại acid, collagenđược trích theo phương pháp toàn phần (A) và từng phần (B)

+ Phương pháp toàn phần (A): da cá được trích trong dung dịch acid một lần duy nhấtứng với các mốc thời gian 24,48 và 72 giờ

+ Phương pháp từng phần (B): da cá được tiến hành trích qua nhiều lần, mỗi lần 24giờ, sau đó lượng collagen thu được ở các lần trích được gộp lại để tính hiệu suất

9

Mục đích: trích chiết hết thành phần cần thiết để tạo sản phẩm, tạo điều kiện cho quátrình lọc.

- Lọc: sau khi trích ly thu được dịch lọc

Mục đích: Làm sạch dịch sau khi trích ly, tạo điều kiện cho quá trình ly tâm

- Ly tâm: dịch lọc được đem đi ly tâm để tách dịch lọc

Mục đích: tách lấy phần chất rắn cần thiết, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình kếttinh

- Ứng dụng trong công nghiệp

Khi collagen được thủy phân đủ, ta thu được một loại protein dễ tan trong nước, đượcgọi là Gelatin Gelatin được sử dụng trong thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm và côngnghiệp nhiếp ảnh

Trong lĩnh vực dinh dưỡng, collagen và gelatin là nguồn protein nghèo, chúng khôngcung cấp đầy đủ tất cả các Amino Axit cần thiết cho cơ thể con người (chúng làprotein chưa đầy đủ)

Collagen thường chuyển hóa thành Gelatin nhưng thường được tiến hành trong điềukiện khô Keo dán từ động vật có tính nhiệt dẻo, mềm trở lại khi gia nhiệt, vì vậychúng được sử dụng làm dụng cụ âm nhạc như dây đàn violin, đàn guitar

- Ứng dụng trong y học và dược phẩm

Collagen đã được sử dụng rộng rãi trong phẫu thuật thẩm mỹ như: hỗ trợ chữa bệnhcho bệnh nhân bỏng, làm tái tạo xương và rất nhiều trong nha khoa, phẫu thuật chỉnhhình

Collagen là một vật liệu có khả năng phân hủy sinh học, tác dụng của collagen dựatrên sự kết hợp khả năng tạo màng và tạo gel một cách tự nhiên Collagen được sửdụng trong lĩnh vực y dược có mùi và vị trung hòa, không gây dị ứng và được hấp thụhoàn toàn trong cơ thể con người, có tính tương thích sinh học, cũng như khả năngcầm máu nên có thể được chế tạo thành những dạng khác nhau, là một loại vật liệusinh học lý tưởng cho việc sản xuất các sản phẩm y học

Các đặc tính kỹ thuật của collagen được ứng dụng trong công nghệ dược phẩm:

+ Là một chất keo bảo vệ các thành phần nhạy cảm khỏi tác động của sự oxy hóa ánhsáng, sự hấp thụ ẩm Tạo mùi vị trung hòa: Là chất ổn định của hệ nhũ tương, huyền

10

phù, collagen được hấp thụ dễ dàng vào trong cơ thể và không gây dị ứng, ứng dụngmột số đặc tính này người ta dùng collagen trong công nghệ sản xuất bao thuốc uống.+ Là chất tạo bọt và ổn định trong quá trình sản xuất chất bọt cầm máu: đặc tính nàydùng để làm chất cầm máu, hàn gắn vết thương,

+ Có thể sử dụng làm chất thay thế máu tạm thời

+ Đặc biệt trong kỹ thuật nội soi và phẫu thuật thẩm mỹ: collagen được ứng dụng đểbôi vào các ống nội soi, có tác dụng bôi trơn, vì thế các bác sĩ dễ dàng đưa các ống nàyvào cơ thể bệnh nhân mà không gây đau Sau thời gian từ 40-60 phút, collagen sẽ tantrong cơ thể bệnh nhân mà không gây hại gì và vì collagen còn là một polymer tựnhiên tạo cấu trúc cho da nên nó được dùng trong phẫu thuật tạo hình như bơm môi,căng da mặt,

Hình 4 Collagen dùng trong phẩu thuật thẩm mỹ

- Trong công nghệ mỹ phẩm

Collagen có tác dụng chống lão hóa, ngăn ngừa và cải thiện nếp nhăn Khoảng 70%cấu trúc của da là collagen, phân bố chủ yếu ở lớp hạ bì của da Collagen tạo ra một hệthống nâng đõ, hỗ trợ các đặc tính cơ học của da như sức căng, độ đàn hồi, duy trì độ

ẩm, làm cho da được mịn màng, tươi tắn và trẻ trung Ngoài ra collagen còn đảm bảosắc tố da, làm sáng màu da Sự suy giảm về chất lượng, số lượng collagen sẽ dẫn đến

da trở nên khô, mất độ căng, đàn hồi và thúc đẩy quá trình lão hóa của cơ thể Chính vìvậy mà collagen đóng vai trò quan trọng giúp cải thiện cấu trúc da, kích thích quá trìnhtái tạo và phục hồi tế bào da bị tổn thương

- Trong công nghiệp nhiếp ảnh

Trong nhiếp ảnh collagen là thành phần thiết yếu cho quá trình đông tụ và phát triểncủa dịch nhũ tương ảnh: Là chất ổn định giữa thành phần gắn kết và hệ nhũ tươngthuốc nhuộm Là tác nhân gắn kết trong quá trình sản xuất trong các giấy in phun hiệnnay, khả năng trương nở và có tính bền vững cao

II Ứng dụng của collagen trong thực phẩm

Collagen được dùng để làm vỏ bao xúc xích, màng bọc kẹo, làm nguyên liệu sản xuấtmột số loại thực phẩm dinh dưỡng, thực phẩm chức năng Dĩ nhiên chúng phải trải quamột quá trình chế biến để đạt được những tính chất ứng dụng mong muốn, như tính tan

11