BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC gelatin libre

-1- M Đ U Cùng với phát triển m nh mẽ ngành nuôi trồng chế biến thủy s n xuất nước ta, lượng lớn phế phụ phẩm bị th i đầu, da, xương…lượng phế phụ phẩm chưa xử lý thích hợp dẫn đến ô nhiễm môi trư ng gây lãng phí Trong phế phẩm nguyên liệu để s n xuất chất keo sinh học có nhiều ứng dụng quan trọng Gelatin Trong thực phẩm Gelatin t o độ nhớt, độ đông, độ cho s n phẩm thực phẩm ăn kiêng t t Trong dược phẩm dùng làm v nang b o vệ thu c Gelatin dùng phim nh, mỹ phẩm ứng dụng nhiều lĩnh vực khác như: keo dán, môi trư ng cho Vi sinh vật phát triển… Năm 1860 Gelatin từ da xuất thị trư ng, hiểu biết cịn h n chế Đến năm 1956 Gustarson tiến hành nghiên cứu kh ph n ứng Collagen Năm 1990, Trần Thị Luyến nghiên cứu 50 keo từ xương cá s loài cá fillet Những năm gần có s đề tài nghiên cứu yếu t nh hư ng 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 nh hư ng pH nước nấu đến chất lượng gelatin nghiên cứu nh hư ng công đo n cô đặc sấy l nh 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 s n xuất Gelatin nước ta dồi dào, ổn định, giá rẻ có tiềm phát triển nên chọn đề tài “Tách Gelatin từ da cá Basa” với mong mu n góp phần nâng cao hiệu qu kinh tế cho ngư dân nhà s n xuất cá ; đồng th i góp phần vào việc gi m thiểu nhiễm môi trư ng * M c tiêu - Xây dựng quy trình s n xuất Gelatin từ da cá Basa -2- * Ph ng pháp nghiên c u - Phương pháp phân tích vật lý - Phương pháp phân tích định lượng - Phương pháp quy ho ch thực nghiệm * N i dung nghiên c u - Thu thập tài liệu, tìm hiểu cấu t o, 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 d ng thô * S n ph m c a đ tài : Gelatin d ng h t -3- Ch ng 1: T NG QUAN -4- 1.1 TI M NĔNG S N XU T GELATIN T DA CÁ:[5][6] Đất nước Việt Nam có lợi có b biển dài, nhiều sơng ngịi, ao hồ nên việc khai thác nuôi trồng thủy s n m triển vọng lớn việc cung cấp thủy s n cho nhu cầu đ i s ng nhân dân, cho xuất phục vụ cho việc phát triển ngành nuôi trồng thủy s n Trong lo i thủy s n xuất t i Việt Nam mặt hàng cá Tra, Basa s n phẩm chế biến từ chúng chiếm s lượng lớn đem cho đất nước ta nguồn ngo i tệ cao (gần tỷ USD) Ngày nay, Việt Nam gia nhập tổ chức thương m i giới việc xuất mặt hàng thủy s n sang nước khác m rộng, đặc biệt mặt hàng cá Tra Basa S n lượng thủy s n đánh bắt nuôi trồng cá Tra Basa tăng lên theo đặc biệt khu vực đồng sông Cửu Long Do khai thác sử dụng t t nguồn lợi thủy s n để phục vụ cho loài ngư i vấn đề quan trọng Tuy nhiên trình chế biến cá ta thu 30 % thịt l i 70 % phụ phẩm Lượng phế phẩm thư ng bị th i b , dùng làm thức ăn cho gia súc, làm phân bón xuất sang nước khác Hiện giới nhu cầu sử dụng Gelatin ngày lớn Các qu c gia s n xuất Gelatin hàng đầu Mỹ (kho ng 31000 hàng năm), Pháp, Đức, Anh, Nhật B n Các ngành tiêu thụ chủ yếu: công nghệ thực phẩm, công nghệ dược phẩm, công nghiệp phim nh, công nghệ s n xuất mỹ phẩm Gelatin sử dụng giới thư ng s n 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 h n chế Chính s n lượng Gelatin giới gi m dần Nhu cầu sử dụng lớn, nguồn nguyên liệu bị h n chế Trước tình hình đ i Gelatin từ da cá bước ngoặt lớn, khơng gi i tất c vấn đề khó khăn mà cịn góp phần tăng lợi ích kinh tế cịn gi m bớt lượng lớn phế th i ngành thủy s n gây ô nhiễm môi trư ng Như việc s n xuất Gelatin từ da cá khơng góp phần làm gi m thiểu ô nhiễm môi trư ng mà cịn t o s n phẩm có giá trị Đây triển vọng lớn cho qu c gia có ngành thủy s n phát triển -5- 1.2 GI I THI U V COLLAGEN [3][4][7][9][10][11] 1.2.1 Collagen Collagen lo i protein đặc biệt Cấu trúc t o thành từ amino acid với xếp d ng sợi, mặt khác biết protein cứng hình sợi Những sợi chuỗi phân tử dài, chứa đến 19 lo i amino acid Thành phần amino acid quan trọng sợi gồm có: prolin, glicin, hydroxyprolin hydroxygilicin Hai hợp chất cu i không thấy lo i protein khác 1.2.1.1 Cấu t o c a collagen Collagen lo i protein tương đ i đơn giãn, gồm có ba chuỗi amino acid riêng biệt xoắn l i với gi ng sợi dây thừng Mỗi sợi collagen t o nên từ hang nghìn amino acid, chủ yếu hai lo i acid amin: glycin prolin Đơn vị cấu trúc Hình 1.1 Cấu trúc collagen tropocollagen bao gồm m ch polypeptide bện vào thành dây cáp siêu xoắn (vì m ch đơn có cấu trúc xoắn, chiều cao g c xoắn trục siêu xoắn 2,9 Å, vòng xoắn 3,3 g c amino acid) Ba chuỗi polypeptide “dây cáp” n i với liên kết hydrogen Đầu tiên ba sợi collagen xoắn l i theo kiểu xoắn c 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 t p định chức sinh học collagen Gần nửa lượng amino acid colagen glycine alanine 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 c l i với t o thành chuỗi lớn hơn, sợi colagen rắn mô s ng động vật Một đặc điểm để phân biệt colagen với lo i 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 m ng lưới phân tử có tính đàn hồi n i với b i liên kết hydro B ng 1.1: So sánh thành ph n amino acid c a phân tử protein có kh i l ng 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 c a colagen: Tính chất vật lý Collagen protein khơng tan nước, có kh giãn n nhẹ Tỉ lệ giãn n có giới h n co giãn kho ng 7% cho sợi ướt 5% cho sợi khô 600C tác động acid hay kiềm mu i Collagen ẩm đột ngột, phồng lên, co rút kho ng 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 qu m vòng xoắn sợi kèm theo phá vỡ liên kết hydro Gelatone Gelatose s n phẩm phân gi i gelatin Tỷ lệ Gelatin, Gelatone Gelatose định b i nhiệt độ th i gian nấu Collagen bị thủy phân chậm b i trysin pepsin, Gelatin dễ bị phân hủy Collagen thêm cồn, mu i aceton đặc biệt heparin chung có sợi dày kết tủa l i Collagen tan glycerin, acid acetid, ure không tan nước l nh -8- 1.2.1.2 Ch c c a 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 kh e m nh độ bền da, thể qua trơn láng, đầy đặn da trẻ Cấu trúc siêu xoắn ba làm cho Collagen có sức căng m nh c thép Sự cấu trúc 3-D có nghĩa giúp đỡ khung sư n da Collagen có nhiều mơ liên kết collagen động vật có vú, sợi Collagen da cá Tương tự sợi mô cá t o nên cấu trúc m ng lưới m ng với mức độ phức t p khác Tuy nhiên, Collagen cá bền nhiệt nhiều có liên kết chéo nh y c m Collagen động vật máu nóng có xương s ng (Phan Thị Thanh Quế 2005) Collagen lo i protein phổ biến thể (chiếm kho ng 1/4 tổng lượng protein), protein mơ liên kết, thành phần da, vân, sụn, dây chằng, gân, xương răng; đóng vai trị quan trọng việc phát triển mô thể củng c thành m ch; tồn t i giác m c thuỷ tinh thể mắt d ng kết tinh Lớp bì, lớp đệm da chứa nhiều Collagen, mà sợi Collagen t o hệ th ng nâng đỡ, hỗ trợ cho đặc tính học da sức căng, độ đàn hồi, trì độ ẩm… 1.2.1.3 ng dụng c a collagen Ngày Collagen ứng dụng nhiều lĩnh vực đặc biệt lĩnh vực y học ngành khoa học khác Ví dụ s n phẩm g c 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 y u t nh h ng đ n collagen: 1.2.2.1 nh hưởng c a khơng khí độ tuổi khác nhau, thể s ng hay ng 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 th i gian -9- 1.2.2.2 nh hưởng c a nước Nước nh hư ng đến Collagen theo đư ng khác Nó giữ vai trị trực tiếp biến đổi hóa học Collagen thơng qua thủy phân, hydrat hóa g c tự do, ổn định liên kết hydro, tỉ lệ hình thành Gelatin Bowes Raistrick (1967) nghiên cứu nh hư ng m i liên hệ độ ẩm pH lên ph m vi suy gi m thủy phân Collagen phóng thích nitơ cịn dư giai đo n cu i 400C tám tuần, thủy phân Collagen tăng lên với tăng độ ẩm (từ 40% lên 80%) gi m pH (từ 5,0 xu ng 2,5) Họ kết luận suy gi m thủy phân tiến xa, biến tính kéo theo tăng lên ho t động thủy phân 1.2.2.3 nh hưởng c a nhiệt độ Đo lư ng nh hư ng nhiệt độ lên hư h ng Collagen bị giới h n b i có hao hụt nhiệt độ t i nhiệt độ đo lư ng đưa kết qu không đáng tin cậy (Bowes Raistrick, 1964) M i quan tâm đặc biệt collagen bị hư h ng mặt vật lý hóa học bị hư h ng 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, c gi m nhiệt độ sai lệch đ i với sợi bị hư h ng 1.3 GELATIN: [3][7][12][13] 1.3.1 Định nghĩa: Gelatin protein tinh s ch dùng thực phẩm, thu nhận từ biến tính nhiệt phân Collagen có da, xương, mơ liên kết động vật, lo i protein phổ biến giới động vật Gelatin hịa tan đun nóng (kho ng 40oC) cô đặc làm l nh, với nước điều kiện bình thư ng có d ng sệt Theo Hofmeister: Gelatin s n phẩm thủy phân Collagen b i nhiệt: C102H149N31O38 + H2O 1.3.2 Tính chất c a Gelatin: 1.3.2.1 Cấu trúc Gelatin: C102H151N31O39 - 10 - Gelatin protein t o b i axit amin xếp chuỗi đư ng thẳng liên kết b i kết hợp hai hay nhiều axit amin, hỗn hợp dị hể sợi polypeptid sợi đơn sợi đa, sợi có cấu hình proline xoắn c bên trái, chứa từ 300 – 400 amino acid Hình 1.2 C u trúc Gelatin Cấu trúc Gelatin hình thành từ liên kết 18 lo i amino acid khác nhau, liên kết theo tr t tự định, tuần hoàn Gelatin chứa lượng lớn glycine, proline 4- hydroxyproline Cấu trúc hóa học b n –Ala-Gly- Pro-Arg-Gly-4Hyp-Gly-Pro Hình 1.3: C u trúc hóa h c phân tử Gelatin Hầu hết Gelatin thương m i có kh i lượng phân tử từ 15000 đến 250000 đvc, thư ng Gelatin có kh i lượng phân tử từ 50000 đến 70000 đvc Gelatin gi ng phân tử protein khác, thành cấu trúc Gelatin chuỗi polypeptid lớn phức t p với thành phần amino acid gi ng - 50 - 12,8222 15,10227 5,153219 13,8065 15,10227 1,679021 13,1903 11,66388 2,329959 13,7033 11,66388 4,159235 12,0048 13,14375 1,297196 11,7176 13,14375 2,03389 10,6932 9,705355 0,975838 11,2826 9,705355 2,487703 Vậy : F = 17,26291463 Tra b ng: F1-p (f1, f2 ) = 19.3 Trong đó: p = 0.05 f1 = N – l = f2 = n0 – = ⇒ F < F1-p (f1, f2 ) ⇒ Phương trình tương thích với thực nghiệm ^ Như vậy, từ phương trình y = 12,40381 – 1,71919*X2 - 0,97927*X3 ta thấy kh i lượng tách chiết không phụ thuộc vào tỉ lệ da cá với nước cất tỉ lệ nghịch với nhiệt độ th i gian trích Đó ta trích gelatin th i gian lâu nhiệt độ cao gelatin bị thủy phân m nh mẽ t o thành Gelatose gelatone T i ưu hóa thực nghiệm theo đư ng d c Hàm mục tiêu kh i lượng Gelatin Chọn bước chuyển động yếu t δj ta chọn bước chuyển động yếu t Nhiệt độ b2 Δ2 δ2 = δ1 * b2 Δ2 - 51 - B ng 3.9 : Tính tốn th c nghi m t i u y u t nh h ng đ n đ nh t c a công đo n trích ly Tên X2 (0C) X3 (gi ) Mức s Hệ s bj -1,71919 - 0,97927 Kho ng biến thiên bj * Δj -8,59595 -0,97927 Bước chuyển δj 0,5696 Làm tròn 0,5 Thí nghiệm 75 5,5 13,9420 Thí nghiệm 10 80 13,7862 Thí nghiệm 11 85 6,5 13,5304 Từ kết qu thí nghiệm cho thấy Y nhiệt độ 750C th i gian 5,5 gi cho kh i lượng Gelatin cao 3.3.2 Xác đ nh đ nh t: Tiến hành đo độ nhớt nhiệt độ 400C K t qu : Lấy dung dịch chuẩn acid acetic với độ nhớt μ = 1,04*10-3Ns/m = 1,04 cP Nồng độ 2% đo th i gian 26,83s Đo độ nhớt Gelatin ta thu kết qu sau: B ng 3.10 : K t qu đ nh t c a cơng đo n trích ly STT T l da : Nhi t đ Th i gian Th i gian Đ nh t - 52 - n cc t ( C) (ml) trích ch y (gi ) (s) (Cp) 1:8 65 43,78 1,6970 : 10 65 51,26 2,0083 1:8 75 51,64 2,0017 : 10 75 42,55 1,6497 1:8 65 33,27 1,2896 : 10 65 33,80 1,3102 1:8 75 38,67 1,3827 : 10 75 38,85 1,5059 1:9 70 38,34 1,4862 10 1:9 70 38,14 1,4784 11 1:9 70 51,89 2,0256 12 : 10 75 5,5 52,29 2,0453 13 : 10 80 40,26 1,7539 14 : 10 85 6,5 37,32 1,2486 Bi u đ 3.5: Đ th bi u di n s thay đ i c a đ nh t đ n nhi t đ trích ly - 53 2 Đ nh t (Cp) Độ nhớt 1 0 20 40 60 80 100 Nhi t đ (0C) Bi u đ 3.6: Đ th bi u di n s thay đ i đ nh t theo th i gian trích ly Đ nh t (Cp) 2 lượng gelatin (g) 1 0 Th i gian (gi ) Nh n xét: Như theo kết qu theo s n lượng độ nhớt ta thấy với nhiệt độ 750C trích 5,5 gi kh i lượng s n phẩm Gelatin độ nhớt cao - 54 - V i nh ng k t qu chúng tơi ch n có quy trình tách chi t Gelatin b ng mu i nh sau: Da cá Rửa s ch Cắt nh 0,2 – 0,5 cm Ngâm dung dịch mu i bão hòa tỉ lệ : Trích ly nước cất nhiệt độ 750C 5,5 gi Lọc với chất trợ lọc celite Cô đặc Sấy khô Nghiền mịn Gelatin s n phẩm 3.4 KI M NGHI M NGUYÊN LI U VÀ GELATIN S N PH M [1][7] - 55 - 3.4.1 Xác đ nh đ đông: Dung dịch Gelatin 2% đặt nhiệt độ khác nhau: 00C: Dung dịch đông l i sau 10 phút, nghiêng c c 900C dung dịch không đổ 150C: Dung dịch đông l i sau 45 phút, nghiêng c c 900C dung dịch không đổ 200C: Dung dịch không đông l i sau gi 300C: Dung dịch không đông l i sau gi Như vậy, đ i với Gelatin trích từ da cá nồng độ 2% nhiệt độ đông 150C 3.4.2 Xác đ nh đ nh t: Với nồng độ 2% dung dịch Gelatin t i ưu có độ nhớt 2,0083 Độ nhớt cao 3.4.3 Xác đ nh đ m 3.4.3.1 Nguyên liệu Kh i lượng Da cá trước sấy: m1= 1,0080 g Kh i lượng Da cá sau sấy cân đến kh i lượng không đổi: m2 = 0,378 g Độ ẩm = 1,0080 − 0,378 100 = 62,5 % 1,0080 3.4.3.2 Gelatin s n phẩm: Kh i lượng Gelatin trước sấy: m1 = 1,0008 g Kh i lượng Gelatin sau sấy cân đến kh i lượng không đổi: m2 = 0,9158 g Độ ẩm = 1,0008 − 0,9158 100 = 8,49 % 1,0008 Với độ ẩm ta cần b o qu n Gelatin hộp kín, khơng cần b o qu n bình hút ẩm 3.4.4 Xác đ nh đ tro 3.4.4.1 Nguyên liệu - 56 - Da cá :m1=1,0080 g , m2 = 0,0084 g Độ tro = 0,0084 * 100 = 0,83% 1,0080 3.4.4.2 Gelatin s n phẩm: Gelatin: m1 = 1,0008 g , m2 = 0,0117 g Độ tro = 0,0117 100 = 1,169 % 1,0008 Phần trăm độ tro Gelatin nằm giới h n cho phép