Luận văn Khoa học ĐỘC QUYỀN: Nghiên cứu quá trình sấy bong bóng cá Tra và sản xuất thử nghiệm Collagen

Dịch vụ thành lập Thay đổi Giấy phép kinh doanh cty Việt Nam cty vốn FDI Tuyển Cộng tác viên (CK 15% gói Dịch vụ) 0899315716 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình và các đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và thực nghiệm để hoàn thành đề tài này. Đặc biệt chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban lãnh đạo Viện Công nghệ sinh học và Thực phẩm, Phòng Khoa học Công nghệ, Ban giám hiệu Trường Đại học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành đề tài. Góp sức vào đề tài cũng có sự góp phần của các em sinh viên của lớp DHTP7LT, tôi xin cảm ơn các em đã hỗ trợ tôi trong quá trình hoàn thành đề tài. Mặc dù đã rất cố gắng nhưng đề tài vẫn không thể tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình thực hiện, rất mong nhận được nhận xét quý báu của các thầy, cô và độc giả để tôi có thể khắc phục được những thiếu sót của đề tài cũng như tự hoàn thiện mình tốt hơn nữa. Chủ nhiệm đề tài Tóm tắt đề tài Quá trình nghiên cứu trên đối tượng bong bóng cá tra, là nguồn phụ phẩm của quá trình chế biến. Đề tài đã sử dụng các hóa chất nhằm tinh sach các phần tử phi collagen như lipit, khoáng chất ra khỏi nguyên liệu bong bóng cá. Đề tài nghiên cứu và so sánh quá trình sấy bong bóng cá nhằm làm kho bong bóng đã sơ chế nhanh nhất. Đồng thời, đề tài cũng thủ nghiệm trích ly collagen từ bong bóng cá tra bằng axit acetic và kết tủa collagen bằng muối ăn. Kết quả thí nghiệm cho thấy quá trình khử lipit bằng Na2CO3 và việc khử khoáng bằng axit citric có hiệu quả. Kết quả quá trình sấy cho thấy phương pháp sấy nóng kết hợp hồng ngoại cho kết quả tốt hơn phương pháp sấy nóng đối lưu. Đường đẳng nhiệt hấp phụ của bong bóng cá được thiết lập và đưa ra được điều kiện bảo quản tối ưu cho bong bóng sấy khô có độ ẩm phải đạt dưới 10%. Quá trình chiết xuất collagen bằng axit acetic mang lại hiệu suất chiết là 35,2% với nồng độ tối ưu là 0,5M, thời gian chiết là 96h với tỷ lệ bóng cádung dịch ngâm là 130. Quá trình thu hồi collagen hòa tan trong axit acetic bằng muối NaCl có nồng độ 3M, thời gian xử lý 15. Từ đó, đề tài đề xuất quy trình sấy bong bóng cá tra và quy trình chiết xuất collagen bằng axit acetic. Từ khóa : collagen, bong bóng cá, sấy, chiết xuất. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 1 MỤC LỤC v DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC HÌNH, ĐỒ THỊ viii MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG I : TỔNG QUAN 2 1.1. Tổng quan về cá Tra và bong bóng cá 2 1.1.1. Cá tra 2 1.1.2. Tình hình sản xuất 3 1.1.3. Bong bóng cá 3 1.1.4. Tình hình sản xuất và tiêu thụ bong bóng cá Tra 16 4 1.2. Tổng quan về Collagen 5 1.2.1. Định nghĩa 5 1.2.2 Phân loại 5 1.2.3 Cấu tạo và cấu trúc của Collagen 6 1.2.4. Đặc điểm cấu trúc sợi collagen 7 1.2.5. Tính chất của Collagen. 8 1.2.6. Những tính chất khác của Collagen 12 1.2.7. Ảnh hưởng của tạp chất đến quá trình chiết collagen 12 13 1.2.8. Ứng dụng của Collagen. 14 1.3. Các nghiên cứu trong và ngoài nước về collagen từ bong bóng cá 16 1.4. Quy trình chiết xuất collagen từ bong bóng cá đã được công bố 18 1.5. Tổng quan về một số phương pháp sấy. 21 1.5.1 Giới thiệu về quá trình sấy 21 1.5.2. Sự khuếch tán của nước trong nguyên liệu và các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình làm khô. 22 1.5.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình làm khô. 23 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25 2.1. Đối tượng nghiên cứu 25 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu 25 2.1.2. Hóa chất và thiết bị sử dụng 25 2.2. Bố trí thí nghiệm nghiên cứu 25 2.2.1. Quy trình dự kiến 1 3 25 2.2.2. Thuyết minh quy trình dự kiến 27 2.3. Phương pháp nghiên cứu 28 2.4 Bố trí thí nghiệm nghiên cứu 31 2.4.1. Thí nghiệm 1: xác định thành phần cơ bản của bong bóng cá tra 31 2.4.2. Thí nghiệm 2 : nghiên cứu quá trình tinh sạch bong bóng cá tra 32 2.4.3. Nghiên cứu 3 : Nghiên cứu quá trình sấy bong bóng cá tra. 32 2.4.4. Thí nghiệm 4: nghiên cứu tối ưu hóa quá trình chiết collagen từ bong cá bằng qui hoạch thực nghiệm 34 2.4 5. Thí nghiệm 5: nghiên cứu quá trình kết tủa collagen hòa tan trong acid 36 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37 3.1. Kết quả phân tích thành phần cơ bản của bong bóng cá 37 3.2. Nghiên cứu quá trình khử Lipit và khoáng trong bong bóng cá tra 39 3.2.1. Xác định tỷ lệ bong bóngdung dịch ngâm 39 3.2.2. Kết quả xác định thông số nồng độ và thời gian ngâm của dung dịch muối Na2CO3 41 3.3 Kết quả khảo sát khả năng khử các chất khoáng bằng dung dịch axitcitric 45 3.4. Kết quả khảo sát nhiệt độ sấy bong bóng cá tra 50 3.4.1. Quá trình sấy nóng 50 3.4.2 Quá trình sấy nóng kết hợp với hồng ngoại 51 3.4.3. So sánh hai phương pháp sấy nóng và sấy nóng kết hợp với hồng ngoại ........................................................................................................................... 52 3.4.4. Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ cho bong bóng cá tra 52 3.5. Kết quả tối ưu hóa quá trình chiết collagen từ bong bóng cá tra 53 3.5.1 Tối ưu hóa về hiệu suất chiết 53 3.5.2. Tối ưu hóa về độ nhớt 56 3.5.3 Ước lượng giá trị tối ưu 59 3.6. Nghiên cứu quá trình kết tủa collagen bằng muối ăn 59 3.7. Đề xuất qui trình sấy bong bóng cá 61 3.8. Đề xuất qui trình tách chiết collagen từ bong bóng cá 64 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 65 4.1 Kết luận 66 4.2 Đề xuất ý kiến 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.2: Thành phần axit amin trong collagen của một số nguồn nguyên liệu khác nhau (tính trên 1000 g) 1 9 Bảng 2.1: Các bước tiến hành thí nghiệm 30 Bảng 2.2: Ma trận thực nghiệm 35 Bảng 2.3: Bảng biến thực 36 Bảng 3.1: Thành phần hóa học cơ bản của bong bóng cá tra 37 Bảng 3.2: thành phần axit amin cơ bản chứa trong bong bóng cá tra 38 Bảng 3.3: Hiệu suất chiết và độ nhớt dịch chiết 54 Bảng 3.4 : tối ưu của Hiệu suất chiết 54 Bảng 3.5 : Thông số tối ưu về độ nhớt 57 Bảng 3.6: Kết quả tính toán tối ưu của hiệu suất chiết và độ nhớt dịch chiết 59 Bảng 3.7: Kết quả kiểm chứng bằng thực nghiệm 59 DANH MỤC HÌNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Cá tra 2 Hình 1.2 : Bong bóng cá tra 4 Hình 1.3: Sản xuất bong bóng cá tra khô tại hộ gia đình 5 Hình 1.4: Cấu trúc tropocollagen 6 Hình 1.5: Trật tự sắp xếp các axit amin trong collagen 7 Hình 1.6: Cấu trúc sợi collagen 7 Hình 1.7: Cấu trúc sợi collagen 8 Hình 1.8: Cấu trúc hóa học của Hydroxyproline 10 Đồ thị 3.1 : Đồ thị đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ ngâm Na2CO3 đến việc khử các chất khoáng và lipid trong nguyên liệu bong bóng cá 39 Đồ thị 3.2 : Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ và thời gian ngâm của Na2CO3 đến việc khử khoáng trong bong bóng cá 42 Đồ thị 3.3 : Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ và thời gian ngâm của Na2CO3 đến việc khử lipid trong bong bóng cá 43 Đồ thị 3.4 : Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của tỷ lệ ngâm axitcitric đến việc khử các chất khoáng trong bong bóng cá 45 Đồ thị 3.5 : Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ và thời gian ngâm của axitcitric đến việc khử các chất khoáng trong bong bóng cá 47 Đồ thị 3.6 : Biểu diễn đường cong sấy của bong bóng cá bằng phương pháp sấy nóng đối lưu 50 Đồ thị 3.7 : Biểu diễn đường cong sấy của bong bóng cá bằng phương pháp sấy nóng kết hợp với hồng ngoại 51 Đồ thị 3.8 : So sánh đường cong sấy nóng và sấy nóng kết hợp với hồng ngoại 52 Đồ thị 3.9: Đồ thị 3D thể hiện ảnh hưởng của nồng độ axitvà thời gian chiết đến hiệu suất 55 Đồ thị 3.10 :Mặt đáp ứng thể hiện ảnh hưởng của nồng độ axitvà thời gian chiết đến hiệu suất 55 Đồ thị 3.11: Đồ thị 3D thể hiện ảnh hưởng của nồng độ axitvà thời gian chiết đến độ nhớt 57 Đồ thị 3.12: Mặt đáp ứng thể hiện ảnh hưởng của nồng độ axitvà thời gian chiết đến độ nhớt 58 Đồ thị 3.13: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ muối NaCl đến hiệu suất kết tủa collagen 60 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG (dùng cho Báo cáo tổng kết đề tài) 1. Thông tin chung: Tên đề tài: nghiên cứu quá trình sấy bong bóng cá tra và sản xuất thử nghiệm collagen. Mã số: 2132012 Chủ nhiệm đề tài: Th.s Dương Văn Trường Điện thoại: 0904 374 160 Email: duongvantruong1510gmail.com Đơn vị quản lý về chuyên môn: Bộ môn Công nghệ thực phẩm, Viện Sinh học và Thực phẩm, Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh. Thời gian thực hiện: 122012 đến 122013 2. Mục tiêu: Xây dựng qui trình chế biến khô bong bóng cá tra. Nghiên cứu sản xuất thử nghiệm collagen từ bong bóng cá tra Việt Nam thủy phân bằng axit acetic. 3. Nội dung chính: Nghiên cứu 1 : Phân tích thành phần của bong bóng cá tra Phân tích hàm lượng prôtêin, hàm lượng các axit amin, hàm lượng lipid và tro của bong bóng cá tra Nghiên cứu 2 : Nghiên cứu quá trình sấy bong bóng cá tra. Nghiên cứu các phương pháp sấy khô bong bóng cá như : phương pháp sấy bằng không khí nóng đối lưu, sấy hồng ngoại,... Xây dựng đường cong sấy của phương pháp sấy thích hợp nhất Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ của bong bóng cá tra Nghiên cứu 3 : nghiên cứu thủy phân collagen từ bong bóng cá tra Nghiên cứu xác định tỷ lệ dung dịch so với nguyên liệu ban đầu Nghiên cứu thủy phân bong bóng cá thành collagen bằng axit axetic ở các nồng độ khác nhau Nghiên cứu thời gian thủy phân phù hợp Nghiên cứu 4 : nghiên cứu thu hồi collagen bằng phương pháp kết tủa bằng muối NaCl ở các nồng độ khác nhau 4. Kết quả chính đạt được (khoa học, đào tạo, kinh tếxã hội, ứng dụng, ...) Stt Tên sản phẩm Số lượng Giá trị khoa học 1 2 3 4 5 6 Dữ liệu về thành phần hóa học của bong bóng cá Tra. Quy trình sấy bong bóng cá Tra Bong bóng cá tra đã sấy khô Quy trình chiết xuất collagen từ bong bóng cá Tra. Sản phẩm collagen được sản xuất từ quy trình đã xây dựng. Báo cáo tổng kết đề tài 01 01 1000g 01 100g 01 Có giá trị tham khảo. Đầy đủ thông số của quá trình sấy Sản phẩm có màu trắng ngà, độ ẩm thấp và đảm bảo các giá trị dinh dưỡng Đầy đủ thông số kỹ thuật, tạo ra sản phẩm có mức chất lượng cụ thể. Đạt chất lượng Collagen sử dụng cho thực phẩm. Tổng hợp đầy đủ các nội dung nghiên cứu của đề tài. MỞ ĐẦU Collagen là một protein có dạng sợi, chiếm 14 lượng protein trong cơ thể. Collagen có tác dụng duy trì bảo vệ sự khỏe mạnh, độ mềm mại và dẻo dai của da, dây chằng, xương, khớp, cơ gân, răng lợi, mắt, hệ thống huyết quản, móng chân, tay và tóc…Nó còn được ví như chất keo kết nối các bộ phận trong cơ thể. Vì vậy collagen rất quan trọng đối với con người. 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, ch nh hình. Protein được chiết xuất từ da động vật có vú được sử dụng rộng rãi trong ngành dược phẩm, thực phẩm, y tế và các ngành công nghệ mỹ phẩm do tình tương thích sinh học khá cao của nó. Tuy nhiên, gần đây các bệnh dịch xảy ra rất thường xuyên và rất khó kiểm soát trong các đàn gia súc, gia cầm gây nên mối lo ngại về an toàn khi sử dụng các Collagen động vật này . Ngoài ra, do lý do tôn giáo mà việc sử dụng nguồn nguyên liệu da lợn( heo) để sản xuất Collagen cũng rất hạn chế. Collagen còn có thể chiết xuất từ nhiều nguồn như xương, da, vẩy, bong bóng cá. Nước ta, ngành công nghiệp thủy sản đang rất phát triển, theo đó sẽ một lượng lớn phế liệu từ ngành thủy sản trong đó có bong bóng cá tra. Trước đây bong bóng cá tra được nhà máy bán cho cơ sở sản xuất làm thức ăn gia súc. Gần đây đã có một số cơ sở sản xuất bong bóng cá sấy khô để xuất sang Trung Quốc, Thái Lan, Campuchia. Nhưng chủ yếu vẫn là các cơ sở sản xuất nhỏ, thủ công và giá trị xuất khẩu chưa cao. Vì vậy đề tài “nghiên cứu quá trình sấy bong bóng cá tra và sản xuất thử nghiệm collagen” sẽ giúp góp phần tìm ra hướng đi mới nhằm nâng cao giá trị sử dụng cho bong bóng cá tra. Nó giúp tạo ra collagen có giá trị cao hơn so với ch xuất khẩu nguyên liệu thô. CHƯƠNG I : TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về cá Tra và bong bóng cá 1.1.1. Cá tra Tên tiếng anh là: Iridesscent shark, Shutchi cat fish. Cá tra là tên gọi một họ, một chi và một số loài cá nước ngọt thuộc bộ Cá da trơn. Nó được tìm thấy trong các vùng nước ngọt và nước lợ, dọc theo miền nam châu Á, từ Pakistan tới Borneo. Trong số khoảng 30 loài của họ này thì loài cá tra dầu (Pangasianodon gigas), một loài cá ăn rong cỏ và đang ở tình trạng nguy cấp, là một trong những loài cá nước ngọt lớn nhất đã biết. Ở Việt Nam, cá tra sống chủ yếu trong lưu vực sông Cửu Long và lưu vực các sông lớn cực nam, có thân dẹp, da trơn, có râu ngắn. Cá Tra phân bố ở lưu vực sông Mêkong nên nó có mặt ở cả bốn nước Việt Nam, Lào, Campuchia, Thái Lan Hình 1.1 Cá tra Cá tra thuộc họ Pangasiidae. Họ Pangasiidae (họ cá tra) theo ITIS có 3 chi: chi Sinopangasius (1 loài), chi Helicophagus (3 loài) và chi Pangasius (27 loài). Tuy nhiên, chi và loài Sinopangasius, theo vài tài liệu như FishBase và một số bảng từ đồng nghĩa, được coi là từ đồng nghĩa của Pangasius kempfi (cá bông lau). Ngoài ra trong chi Pangasius, trong 2 bảng phân loại khoa học nêu trên có 3 cặp tên đồng nghĩa. Như vậy, có thể kể họ Pangasiidae có 2 chi và chi Pangasius có 24 loài. 18 1.1.2. Tình hình sản xuất Diện tích và sản lượng nuôi cá Tra năm 2012 tăng so với năm 2011, tuy nhiên tốc độ tăng sản lượng chậm hơn so với tăng diện tích, năng suất trung bình đạt trên 274 tấnha (năm 2011 là 305 tấnha). Theo số liệu của Hải quan Việt Nam, XK cá tra Việt Nam sang Anh trong 10 tháng đầu năm 2013 đạt giá trị 34,9 triệu USD, tăng 13,9% so với cùng kỳ năm 2012. 22 Trong năm 2012, tình hình tiêu thụ cá tra nguyên liệu diễn biến phức tạp; ba tháng đầu năm, việc tiêu thụ cá Tra tương đối thuận lợi giá cá tra ở mức khá cao, dao động 26.500 – 28.500 đa số các hộ nuôi đều có lãi. Đến cuối tháng 3 năm 2012 trở lại đây, giá cá tra liên tục giảm mạnh, giá cá hiện nay dao động 20.500– 21.000 đồngkg, hiện nay giá cá tra nguyên liệu đã tăng hơn trước ở mức 21.000 – 22.000đkg (có vài thời điểm thấp nhất là 18.000 đkg),trong khi đó giá thức ăn thuỷ sản đã tăng thêm 700 – 1.200đkg, người nuôi vẫn tiếp tục chịu lỗ từ 2.000 – 5.000đkg. Giá thành sản xuất và giá bán cá tra nguyên liệu trong năm 2012 liên tục có những biến động bất lợi. Giá cá nguyên liệu liên tục giảm mạnh gây bất lợi cho người nuôi, dẫn đến lợi nhuận giảm từ 2.000 5.300 đồngkg cá (Quý I) xuống đến hòa vốn hoặc lỗ từ 1000 – 4000đkg cá trong những quý còn lại trong năm. Về tình hình chế biến, xuất khẩu: Trong năm 2012, 2013 nhiều nhà máy chế biến cá tra hoạt động cầm chừng nên khiến nhiều hợp đồng xuất khẩu bị ảnh hưởng, đời sống công nhân gặp khó khăn. Tỷ lệ mặt hàng chế biến xuất khẩu cá tra giá trị gia tăng còn thấp, dẫn đến hiệu quả kinh tế chưa cao. Hệ thống xử lý nước thải trong một số nhà máy chế biến chưa đảm bảo tiêu chuẩn do không gian cũng như kinh phí cho việc xử lý rất lớn, gây khó khăn cho doanh nghiệp. 1.1.3. Bong bóng cá Bong bong cá có tác dụng giúp cá chìm xuống hay nổi lên trong cơ thể cá. Bong bóng cá chứa các chất protein dính, có nhiều đường và các nguyên tố vi lượng, các Vitamin, canxi, kẽm , sắt , selen … Hàm lượng protein của bong bong cá đạt tới 84,2% trong khi đó chất béo ch có 25% đây còn là loại protein ít béo nhất. Hơn Từ lâu, nó được coi là thực phẩm giàu dinh dưỡng gần ngang hàng với tổ yến và vây cá mập. Bong bong cá không những là món ăn nổi tiếng trong các bữa tiệc mà còn có tác dụng tẩm bổ và dùng làm thuốc.15 Hình 1.2 : Bong bóng cá tra Các nghiên cứu hiện nay cho thấy, bong bóng cá có chứa nhiều phân tử collagen, chất này có tác dụng cải thiện tình dinh dưỡng cho các mô tế bào trong cơ thể con người, thúc đẩy phát triển sinh trưởng, làm chậm lão hóa da. 1.1.4. Tình hình sản xuất và tiêu thụ bong bóng cá Tra 16 Bong bong cá tra là phụ phẩm tại các nhà máy chế biến phi lê cá đông lạnh, chủ yếu dùng làm sản xuất thức ăn chăn nuôi cùng với nội tạng của cá. Hiện nay, tại một số vùng ở An Giang, người dân đã biết cách thu hồi và sấy nhằm tạo ra sảm phẩm có giá trị cao hơn bằng cách : làm tinh sạch bong bóng, tẩy trắng và phơi nắng. Khô bong bóng cá tra được bán cho các nước như Trung Quốc, Campuchia, Thái lan,... mang lại thu nhập cao cho người nông dân. Bong bóng cá tra chế biến thành hai dạng: (i) Sản phẩm đông lạnh, đây là nguồn nguyên liệu tươi, khó bảo quản và giá thành thấp nên sản lượng sản xuất còn thấp, (ii) Sản phẩm khô là sản phẩm có sản lượng cao vì quá trình bảo quản và vận chuyển dễ dàng. Khoảng 10kg bong bóng cá tươi sẽ cho ra 2kg bong bóng khô gia khoảng 175 – 180 ngànkg. Hình 1.3: Sản xuất bong bóng cá tra khô tại hộ gia đình 1.2. Tổng quan về Collagen 1.2.1.Định nghĩa Collagen chiếm khoảng 14 protein trong cơ thể con người. Collagen là một protein tạo cấu trúc chính, được tạo thành từ các sợi cáp phân tử nhằm tăng cường sức khỏe gân,dây chằng tạo ra các tấm đàn hồi để hỗ trợ da và nội tạng. Collagen kết hợp với các tinh thể khoáng chất khác để tạo ra xương và răng của người. Collagen tạo cấu trúc cho cơ thể chúng ta, bảo vệ và hỗ trợ các mô mềm, kết nối các mô này với xương. Tuy nhiên, dù collagen có vai trò rất quan trọng trong cơ thể, collagen là một protein tương đối đơn giản.22 1.2.2 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.13 1.2.3 Cấu tạo và cấu trúc của Collagen Công thức hoá học: C4H6N2O3R2.(C7H9N2O2R)n. 14 Công thức cấu tạo:14 Collagen có cấu trúc bậc 4, M = 300.000 Da, L = 300nm, D = 1.5 nm Cấu trúc phân tử Collagen: Về cấu trúc của phân tử collagen, phân tử collagen hay còn gọi là tropocollagen là một cấu trúc dạng sợi hình ống chiều dài khoảng 300 nm, đường kính 1,5 nm. Mỗi sợi collagen này được cấu tạo từ ba chuỗi polypeptide (alpha peptide) nối với nhau bằng các liên kết hydro và xoắn lại với nhau giống như sợi dây thừng, mỗi mạch có thể là dạng chuỗi alpha 1 (α1) hoặc chuỗi alpha 2 (α2), có khi có cả chuỗi alpha 3 (α3). . Mỗi một vòng xoắn có độ dài là 3,3 gốc amino acid, chiều cao là 2,9 A0. Mỗi chuỗi có hình dạng xoắn ống từ trái sang phải. Ba chuỗi này xoắn lại với nhau hình thành một cuộn có hướng từ trái sang phải, gọi là triple helix. Hình 1.4: Cấu trúc tropocollagen Collagen được tạo thành từ ba sợi xoắn tạo thành một chuỗi xoắn bộ ba helix. Mỗi sợi xoắn có trên 1400 axit amin trong khi ch có khoảng 20 axit amin. Một chuỗi lặp lại của ba axit amin hình thành một cấu trúc này. Trong bộ ba axit amin đó, axit amin đứng thứ ba là luôn là glycine, đây là một amino axitnhỏ nằm vừa vặn vào bên trong chuỗi xoắn helix. Trình tự axit amin là Gly – XY (Glycine, X thường là Proline và Y thường là 4 – hydroxyproline, một số là 3 – hydroxyproline, một số khác là 5 – hydroxyproline). 11 Hình 1.5: Trật tự sắp xếp các axit amin trong collagen 1.2.4. Đặc điểm cấu trúc sợi collagen Theo kết quả nghiên cứu, một sợi Collagen là một bó các sợi lớn. Mỗi sợi lớn lại là một bó gồm nhiều sợi nhỏ. Sợi nhỏ lại bao gồm nhiều xoắn bộ ba. Hình 1.6: Cấu trúc sợi collagen Các chuỗi collagen sắp xếp song song theo chiều dọc tạo thành các sợi với tính chu kỳ nhất định. Khoảng trốnggap: 40nm; khoảng sole: 67nm. Các tropocollagen sắp xếp song song với nhau, liên kết với nhau bằng các liên kết ngang (liên kết aldol) để tạo thành sợi. Liên kết này yếu và dễ bị phá hủy. Hình 1.7: Cấu trúc sợi collagen 1.2.5. Tính chất của Collagen. Thành phần axit amin 2 Mỗi phân tử Collagen có chứa khoảng gần 20 loại axit amin khác nhau. Tuy nhiên, mỗi loại collagen gồm có hàng nghìn cấu trúc amino acid, chủ yếu gồm có glycine, proline, hydroxyproline. Trong collagen không chứa tryptophan, cystine như các loại protein khác, còn tyrosin, histidin, và các axit amin chứa lưu huỳnh mỗi loại hiện diện không quá 1%, điều này làm các cầu nối disulfur (SS) trong cấu trúc collagen xuất hiện ít và là nguyên nhân cho tính mềm dẻo của nó so với gelatin, nhưng chứa rất nhiều hydroxyproline. Hydroxyproline này là một axit amin đặc trưng của collagen mà các loại protein khác không có .Trong collagen chứa đến 30 % glycine, 10 % hydroxyproline, 12 % proline, 11 % alanine. Thành phần axit amin ảnh hưởng đến tính chất mạch bên của Collagen. Amino acid Bong bóng cá Cá mập Da bê Alanine Glycine Valine 121 339 11.4 110 339 27.8 112 320 20 Leucine Isoleucine Proline Phenylalanine Tyrosine Serine Threonine Methionine Arginine Histidine Lysine Aspartic Axit Glutamic Acid Hydroxyproline Hydroxylysine 19.4 9.5 108 17.5 10 24.1 22.9 15 43.2 7.3 31 35.4 84.1 90 11.3 25.5 16.7 99 12.4 2.7 59 24 15.7 53 11.7 25.7 44 69 60 6.3 25 11 138 13 2.6 36 18 4.3 50 5 27 55 72 94 7.4 Tổng cộng 1000.1 1001.5 1000.3 Bảng 1.2: Thành phần axit amin trong collagen của một số nguồn nguyên liệu khác nhau (tính trên 1000 g) 1 Hydroxyproline – axit amin quan trọng trong định lượng collagen5 Hydroxyproline ch được tìm thấy trong một vài protein, đặc biệt là các protein có vai trò cấu trúc. Hydroxyproline trong các mô động vật được tìm thấy chủ yếu ở Collagen. Vì lý do này, hàm lượng hydroxyproline được sử dụng như một chất ch thị để xác định hàm lượng collagen và hoặc gelatin. Hydroxyproline được sinh ra bởi quá trình hydroxyl hóa của amino axitproline bởi enzyme prolyl hydroxylase trong quá trình tổng hợp protein (như là một sửa đổi hậu dịch của protein). Các enzyme xúc tác cho phản ứng diễn ra trong lòng của lưới nội chất). Mặc dù nó không trực tiếp hợp nhất trong protein, hydroxyproline gồm khoảng 4 % tất cả các amino axitđược tìm thấy trong mô động vật, một lượng lớn hơn 7 axit amin khác được kết hợp một cách tịnh tiến. Hydroxyproline là một thành phần trọng yếu của protein collagen. (2S, 4R) – 4 – Hydroxyproline, hoặc L – hydroxyproline (C5H9O3N), là một axit amin chung không được mã hóa. Hình 1.8: Cấu trúc hóa học của Hydroxyproline • Công thức phân tử: C5H9NO3 • Khối lượng trung bình: 131.130005 Da • Khối lượng Monoisotopic: 131.057999 Da Khả năng giữ nước của collagen Collagen không hòa tan trong nước, nhưng nó hút nước và trương nở, cứ 100g keo khô có thể hút 200g nước, trong đó có khoảng 70g là nước liên kết và 20g là nước kết hợp rất vững chắc. Phần nước kết hợp liên kết chuỗi là phần nước gốc cực tính ở mạch ngoài của Collagen. Ở các trung tâm thân nước này, vì có nước làm cho mạch chính của Collagen trở nên lỏng lẻo. Khi hút nước chuỗi cực tính của Collagen bị ion hóa nhẹ do tác dụng lực giữa các phân tử (lực Vandervasl). Collagen bị hút nước làm các liên kết yếu đi, giảm tính bền vững của sợi collagen. Khi tăng nhiệt độ cũng làm cắt đứt các mạch peptid. Khi tăng lên Do nước là phân tử phân cực tác dụng lên liên kết hydro (liên kết phối trí) làm cho mạch vốn có trong kết cấu của protein bị suy yếu đi. Collagen kết hợp với nước và trương nở cho độ dày tăng dần lên khoảng 25% nhưng độ dài tăng lên không đáng kể, tổng thể tích của phân tử Collagen tăng lên khoảng 2 – 3 lần. Ở 60 – 650C Collagen hút nước và bị phân giải, nhiệt độ phân giải của Collagen trong nguyên liệu chưa xử lý tương đối cao, khi nguyên liệu đã khử hết khoáng thì nhiệt độ phân giải giảm xuống. Điều này được giải thích là do sau khi xử lý bằng kiềm hoặc axitthì Collagen hút nước, lúc này liên kết trong phân tử Collagen giảm và một phần bị phân giải nên nhiệt độ phân giải của keo bị hạ thấp. Khả năng giữ nước của Collagen sản xuất từ phụ phẩm thủy sản lớn hơn rất nhiều so với Collagen sản xuất từ phụ phẩm của động vật trên cạn. 14 Tương tác với acid, kiềm 11 Collagen là chất lưỡng tính, nó có thể tác dụng với acid, kiềm, do phân tử Collagen tồn tại gốc cacboxyl (COO) và gốc amin (NH2). Trong điều kiện có acid, ion H+ của axittác dụng với nhóm COO, điện tích cacboxyl bị ức chế (hình thành axityếu có độ ion hóa thấp). Trái lại gốc amin bị ion hóa thành NH3. Trong điều kiện có nước, nước có thể tác dụng với nhóm gốc có mang điện trong kết cấu protide và những ion Na+ và Cl làm tăng tính hấp phụ nước của collagen do đó trong môi trường axitvà kiềm thì tính trương nở của collagen được tăng lên Ngoài ra axitvà kiềm còn gây ra 1 số biến đổi là:  Cắt đứt mạch muối (liên kết giữa –NH3+ và COO) làm đứt mạch peptide trong mạch chính  Làm đứt liên kết hydrogen giữa gốc –CO, NH của mạch xung quanh nó  Làm axit amin bị phân hủy giải phóng ra ammoniac Cùng với biển đổi đó điểm đẳng điện của collagen hạ xuống thấp, axitvà kiềm đều có thể phân hủy collagen tuy nhiên theo nghiên cứu của nhiều nhà khoa học thì vôi cũng làm tăng tỷ lệ phân hủy của collagen. Trong điều kiện thường, thời gian dài có thể làm cho collagen bị phân giải (mức độ phân giải thấp) khi nhiệt độ tăng thì độ phân giải cũng tăng lên nhanh chóng Collagen phân giải biến thành gelatin, căn cứ vào giả thuyết của Hofmeister phản ứng sẽ tiến hành như sau: C102H149N31O38 + H2O → C102H151N31O39 Collagen Gelatin Khi xử lý ở nhiệt cao trong nước, keo tiếp tục thủy phân thành: C102H151N31O39 + 2 H2O → C55H85N17O22 + C47H70O19 + 7N2 Gelatin Gelatose Gelatone Do đó nếu muốn sản xuất gelatin thì ta phải khống chế nhiệt độ thích hợp cho chất lượng của gelatin được đảm bảo 1.2.6. Những tính chất khác của Collagen Do Collagen là một protein cấu trúc trong cơ thể động vật nên nó có đầy đủ các tính chất của một protein như: Khả năng tạo nhũ tương 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 độ khác nhau có thể là một chất nhũ hóa tốt hơn sữa gầy. Khả năng hòa tan Collagen tan trong glycerin, axit acetic, ure nhưng không tan trong nước lạnh. Collagen cũng đã được phân chia thành bốn lớp trên cơ sở tính hòa tan trong các dung dịch đệm khác nhau: tan trong muối trung tính, tan trong acid, tan trong kiềm, và không tan trong kiềm. Sự biến tính Dưới tác dụng của các chất hóa học như acid, base, muối, các dung môi alcohol, và các tác nhân vật lý như khuấy trộn cơ học, nghiền, tia cực tím... các cấu trúc bậc hai, ba và bậc bốn của protein bị biến đổi làm cho các liên kết hydro, các cầu nối disunfit, các liên kết ion bị phá vở nhưng không phá vỡ liên kết peptide, tức là cấu trúc bậc một vẫn giữ nguyên, protein sẽ thay đổi tính chất so với ban đầu. Đó là hiện tượng biến tính protein. Tính kị nước Do các gốc kị nước của các axit amin trong chuỗi polypeptide của protein hướng ra ngoài, các gốc này liên kết với nhau tạo liên kết kị nước. Độ kị nước có thể giải thích là do các axit amin có chứa các gốc R không phân cực nên nó không có khả năng tác dụng với nước. Tính kị nước sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến tính tan của protein. Tính chất của dung dịch keo Khi hòa tan protein thành dung dịch keo thì nó không đi qua màng bán thấm. Hai yếu tố đảm bảo độ bền của dung dịch keo là:  Sự tích điện cùng dấu của các protein.  Lớp vỏ hydrat bao quanh phân tử protein.  Khi dung dịch keo không bền, chúng sẽ kết tủa, có hai dạng kết tủa: kết tủa thuận nghịch và không thuận nghịch.  Kết tủa không thuận nghịch: Sau khi chúng ta loại bỏ các yếu tố gây kết tủa thì protein không trở về trạng thái dung dịch keo bền vững như trước nữa  Kết tủa thuận nghịch: sau khi chúng ta loại bỏ các yếu tố gây kết tủa thì protein vẫn có thể trở lại trạng thái dung dịch keo bền như ban đầu. Tính chất điện ly lưỡng tính Protein có tính chất lưỡng tính vì trong axit amin có chứa cả gốc axit(COO) và gốc base (NH2). Cả axit amin và protein đều có tính chất lưỡng tính. 1.2.7. Ảnh hưởng của tạp chất đến quá trình chiết collagen 12 Các tạp chất phi collagen như albumin, globulin….có các nhóm phân cực khi xử lý nguyên liệu trong dung dịch các nhóm này sẽ hấp phụ nước tạo thành lớp vỏ hydrat làm khối lượng nguyên liệu tăng lên 22,5 lần làm kéo dài thời gian sấy, đồng thời ảnh hưởng tới độ tinh khiết của sản phẩm sau này. Lipid: cản trở quá trình thoát ẩm của nguyên liệu trong quá trình sấy, dưới tác dụng của nhiệt độ, ánh sáng, nước…lipid bị thay đổi trạng thái, màu sắc và gây mùi vị khó chịu, đặc biệt tạo ra những sản phẩm thứ cấp. Khoáng: ảnh hưởng tới độ tinh khiết của sản phẩm, trong quá trình tách chiết khoáng sẽ kết hợp với axittạo thành các muối axitlàm giảm tác dụng của axitđối với quá trình tách chiết. Vì những ảnh hưởng không tốt của các tạp chất trên nên chúng ta phải nghiên cứu tìm các biện pháp khử tạp chất phi collagen phù hợp để thu được hiệu quả khử tốt nhất và hàm lượng collagen thu được là cao nhất. 1.2.8. Ứng dụng của Collagen. Trong các ngành công nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm, cũng như y học, dược phẩm, collagen thường được sử dụng dưới dạng collagen thủy phân. Ứng dụng trong thực phẩm Nếu Collagen được thủy phân một phần, 3 chuỗi tropocollagen sẽ phân tách thành các cuộn xoắn hình cầu, và sinh ra gelatin loại dược dùng nhiều trong thực phẩm. 11 Hiệp hội chế biến phụ phẩm giết mổ Hoa kỳ đã sử dụng Collagen để nhồi vào vỏ xúc xích nhằm cải thiện trạng thái của sản phẩm này. 11 Trong sản phẩm kẹo dẻo, sự có mặt của collagen thủy phân cung cấp cho sản phẩm độ dẻo, dai và mềm do chúng ngăn chặn sự kết tinh của đường. Các sản phẩm như vỏ kẹo có chứa 0.5 1 % hàm lượng collagen hydrolysate với vai trò làm giảm sự tan chảy. Trong công nghiệp sản xuất kẹo mứt, collagen thủy phân được sử dụng làm chất tạo gel, chất kết dính, tạo xốp, làm chậm quá trình tan kẹo trong miệng. Trong các sản phẩm như thịt hộp, thịt nguội… Collagen thủy phân chiếm từ 1 5 % giúp giữ hương vị tự nhiên của sản phẩm, đồng thời cũng là một chất kết dính giúp cho việc tạo hình sản phẩm dễ dàng hơn. Collagen có khả năng hấp thụ nước gấp 5 10 lần thể tích của nó nên được sử dụng trong công nghiệp sản xuất đồ hộp để tránh hiện tượng r nước. Ứng dụng trong ngành mỹ phẩm Collagen là lớp nâng đỡ bên dưới cho bề mặt da, chiếm đến 75% cấu tạo da và 90% cấu tạo biểu bì. Collagen khỏe mạnh sẽ giúp da căng bóng và sáng đẹp, ngược lại Collagen suy yếu sẽ khiến da dễ bị lão hóa. Với làn da, ngoài nhiệm vụ liên kết nó còn giúp tạo sự đàn hồi và là nhân tố quan trọng nhất giúp con người duy trì sự trẻ trung. Người từ tuổi 25 trở đi, mỗi năm da bị mất 1,5% lượng Collagen sẵn có do quá trình lão hóa và tác động của môi trường; khi đó, cấu trúc Collagen trong cơ thể bắt đầu bị suy thoái. Sự suy thoái Collagen diễn ra t lệ thuận với thời gian: ở tuổi 30, da mất 15% lượng Collagen; ở tuổi 40 da mất 30% lượng Collagen và 45% lượng Collagen sẽ bị thoái hóa ở tuổi 50. Mặt khác, Collagen là thành phần cấu trúc cơ bản của da. Collagen đem lại cho da sự vững chắc, mềm mại và khỏe mạnh, nó giúp duy trì sự đàn hồi và độ ẩm của da. Collagen đóng vai trò quan trọng giúp cải thiện cấu trúc da, kích thích quá trình tái tạo của làn da, phục hồi tế bào da bị tổn thương. 11 Chính vì vậy mà collagen được dùng làm nguyên liệu để sản xuất các sản phẩm như: kem dưỡng da cao cấp, dầu gội, các sản phẩm dưỡng tóc cũng như các loại sữa tắm… Trước kia muốn sử dụng Collagen các bác sĩ phải lấy chúng ngay trên cơ thể từ vùng này dùng cho vùng khác. Tuy nhiên phương pháp này tốn kém và phức tạp. Ngày nay, các nhà khoa học 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. Ứng dụng trong y học Do Collagen không có hoặc có tính kháng nguyên rất thấp nên chúng hoàn toàn không có độc tố, khả năng tương thích với cơ thể con người cao mà không hề có phản ứng đào thải hay loại bỏ. Nên 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 ch nh hình và hỗ trợ chữa bệnh cho bệnh nhân bỏng và làm màng bao thuốc… 11 Các nhà khoa học chứng minh được rằng Collagen có trong các băng y tế có thể điều trị nhanh và hữu hiệu các vết bỏng nông và sâu. Lúc này có thể tạo hình cho nó thành những tấm, miếng 0,52 cm để sản xuất vỏ thuốc hoặc thuốc điều trị bỏng hoặc tạo ra kích thước phù hợp để phối trộn vào các kem mỹ phẩm sau khi đã được thanh trùng. Các nhà nghiên cứu cho rằng kể cả những vết bỏng sâu cũng có thể được điều trị nhanh và hữu hiệu nhờ các băng y tế có Collagen.11 Số lượng các liên kết mạch ngang trong cấu trúc dưới phân tử Collagen có thể điều ch nh thời gian phân giải của tia UV lên niêm mạc mắt. Vì vậy họ đã nghiên cứu chế tạo các màng bảo vệ mắt… 1.3. Các nghiên cứu trong và ngoài nước về collagen từ bong bóng cá Fernades (2009) đã nghiên cứu tính chất của collagen chiết suất từ bong bóng của 3 loài cá Arius parkeri (Gurijuba), Cynoscion acoupa (Pescada Amarela) và Cynoscion leiarchus (Pescada Branca) sống ở vùng Nam Mỹ. Tác giả đã đo được nhiệt độ làm biến tính collagen từ bong bóng của 3 loài cá trên lần lượt là 65.9, 70.9 và 74.9°C. Trong khi đó, Nhiệt độ biến tính collagen chiết suất từ da bò là 40,1°C và của da cá là 29.8°C. Tác giả cũng đề xuất ra qui trình chế biến màng mỏng collagen từ bong bóng của 3 loại cá trên. Hàm lượng hydroxyproline và collagen trong sản phẩm (mgg) của 3 loại cá trên lần lượt là: 105.23 ± 4.48 và 873.2; 102.94 ± 4.42 và 854.1; 100.65 ± 4.80 và 835.8. 1 Rose và cộng sự, (1998) đã nghiên cứu tính chất của collagen chiết suất từ bong bóng cá nheo (Tachysurus maculatus) của vùng biển Phillipin. Tác giả đã nghiên cứu thành phần amino acids trong bong bóng cá nheo, với hàm lượng amino acids rất lớn trong bong bóng cá. Tác giả đã quan sát được các amino acids như Alanine, Glycine, Proline và hydroxyproline (OHPro) có hàm lượng cao trong bong bóng cá nheo. Tác giả đã nghiên cứu hàm lượng OHPro, là thành phần cấu tạo nên collagen, liên quan đến độ tuổi và cân nặng của cá nheo. Tác giả đã quan sát được các liên kết ngang, đại lượng đặc trưng cho tính bền của collagen, sau khi làm biến tính của các chuỗi β11 và β12 của các con cá lớn và cá nhỏ và cho thấy rằng có sự khác nhau về độ tuổi ảnh hưởng đến liên kết ngang của collagen.2 E.G Young và J.W Lorimer nghiên cứu so sánh collagen chiết bằng axittừ da và bong bóng cá Tuyết. Tác giả nghiên cứu so sánh collagen chiết ở 4 0C với đệm citrate 0,1 M (pH 3,4) từ da và bong bóng của cá Tuyết Đại Tây Dương. Hai loại collagen được thu hồi đều là dạng sợi rất nhỏ như kim với đặc điểm đều là dải nằm ngang. Collagen từ da và bong bong cá này có chứa 18.2% và 18.4% Nitơ, 8.0% và 8.3% hydroxyproline, 0.06% và 0.12% hexosamine. Sự phân bố của các axit amin và quang phổ hồng ngoại có số lượng đồng nhất. P.Bama, M.Vijayalakshimi (2010) và công sự đã nghiên cứu chiết collagen từ bong bóng cá nheo (Tachysurus maculatus) bằng pepsin. Collagen được chiết xuất bởi enzyme tiêu hóa pepsin từ bong bóng cá nheo (Tachysurus maculatus), là chất thải của quá trình chế biến. Tổng sản lượng collagen được chiết xuất là 40% theo trọng lượng khô . Theo mô hình điện di, các bong bóng của cá bao gồm các khoản tương đương của hai ά thành phần chuỗi có kích thước ch định là ά 1, ά 2 và β. Collagen được liên kết với chitosan. Hình thành các tấm collagenchitosan được đặc trưng và có khả năng sử dụng trong lĩnh vực y tế.3 Jong Bang Eun (1994) và cộng sự nghiên cứu thành phần hóa học và hệ vi sinh của trứng và bong bóng cá nheo Mỹ (Ictalurus punctatus).Tác giả cho biết thành phần cơ bản của bong bóng cá nheo Mỹ gồm: 74.6% ẩm, 0.2% tro, 13.8% protein và 0.7% béo. Các axit amin chính gồm: proline, glutamic, alanin và aspartic. Năm 2004, tác giả Nagai và các cộng sự đã nghiên cứu tách chiết collagen từ vẩy của một số loài cá bằng axit acetic rồi kết tủa bằng muối NaCl trong môi trường trung tính. Hiệu suất thu collagen từ vẩy cá mòi là cao nhất (50,9%), từ vẩy cá tráp Nhật Bản là thấp nhất (37,5%). Kết quả phân tích tính chất lý, hóa của collagen cho thấy collagen từ vẩy cá gồm hai loại mạch là α1 và α2, và nhiệt độ biến tính collagen từ vẩy những loài cá này là khoảng 280C. 16 Năm 2005, tác giả Vittayanont và Bebjakul đã đưa ra quy trình chiết collagen từ chân gà với các công đoạn xử lý bằng axit acetic, enzyme pepsin và kiềm NaOH. Kết quả thu được hàm lượng collagen là 12,7% so với trọng lượng khô của nguyên liệu, với sự có mặt của enzyme (một loại protease) đã giúp tăng hàm lượng thu collagen lên tới 9 lần mà không làm thay đổi tính chất đặc trưng của nó. 17 Năm 2006, tác giả Sensrsture và các cộng sự đã nghiên cứu đưa ra quy trình tách chiết collagen từ da cá cóc với các công đoạn xử lý bằng kiềm kết hợp với enzyme pepsin. Hàm lượng collagen thu được là 54,3% tính theo trọng lượng của collagen đã sấy khô đưa trên kết quả phân tích điện di (SDS PAGE), collagen từ da cá này chứa 3 mạch xoắn alpha 1, 2, 3 và nhiệt độ biến tính là 280C. 18 Năm 2007, 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 7076%. 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 axit amin và các phân tích cấu trúc của collagen này. 15 Các nghiên cứu trong nước hiện nay chưa có báo cáo khoa học và công trình nào liên quan đến bong bóng cá tra vì đây là nguồn nguyên liệu từ nội tạng cá tra mới được người dân quan tâm. 1.4. Quy trình chiết xuất collagen từ bong bóng cá đã được công bố Có 2 quy trình Chiết xuất collagen bằng phương pháp hóa học: dùng các axithữu cơ như acetic, lactic, citric. Chiết xuất collagen bằng axitkết hợp enzyme: chiết bằng axithữu cơ kết hợp với enzyme pepsin Quy trình sản xuất collagen dạng màng từ bong bóng cá của Fernandes: 1 Quy trình sản xuất collagen từ bong cá bằng pepsin của P.Bama và Vijayalakshimi 3 1.5. Tổng quan về một số phương pháp sấy. 1.5.1 Giới thiệu về quá trình sấy Sấy đối lưu bằng không khí nóng Sử dụng không khí nóng làm tăng nhiệt độ của thực phẩm, làm cho áp suất riêng phần của hơi nước trên bề mặt sản phẩm tăng lên, cao hơn áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí (vì áp suất riêng phần trong không khí phụ thuộc vào hàm ẩm của không khí). Vì thế nước sẽ bay hơi ra ngoài môi trường không khí. Phương pháp sấy này, nếu nhiệt độ của không khí tiếp xúc với nguyên liệu sấy cao nên làm cho chất lượng của sản phẩm bị giảm đi nhiều. Phương pháp sấy lạnh. Cơ chế thoát ẩm ra khỏi nguyên liệu sấy là quá trình khuếch tán ngoại và quá trình khuếch tán nội. Khuếch tán ngoại có xảy ra thì khuếch tán nội mới được tiến hành. Động lực của quá trình khuếch tán ngoại là sự chênh lệch áp suất hơi nước trên bề mặt nguyên liệu với áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí ẩm. Với phương pháp sấy lạnh, để tăng động lực của quá trình khuếch tán ngoại người ta giảm áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí ẩm và được tiến hành một trong hai phương pháp sau: Phương pháp làm lạnh: Không khí ẩm được làm lạnh đến nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ đọng sương để tách bớt một lượng nước chứa trong không khí ẩm Phương pháp hút ẩm: Cho không khí ẩm đi qua các máy khử ẩm để hấp phụ hơi nước. Không khí sau khi khử ẩm được gia nhiệt làm nóng đến nhiệt độ mà công nghệ sấy yêu cầu, rồi cho đi qua nguyên liệu sấy. Như vậy qui luật dịch chuyển ẩm từ trong nguyên liệu ra bề mặt rồi bay hơi vào môi trường hoàn toàn như sấy đối lưu bằng không khí nóng. Trong hai phương pháp khử ẩm trên thì phương pháp làm lạnh có tính khả thi và hiệu quả kinh tế hơn so với phương pháp dùng máy để hấp phụ khử ẩm. 19 Phương pháp sấy tiếp xúc chân không. Nguyên liệu sấy được tiếp xúc với bề mặt được làm nóng và do sự chênh lệch áp suất của hơi nước trên bề mặt nguyên liệu với áp suất riêng phần của hơi nước trong môi trường xung quanh mà ẩm tách ra. Nguồn nhiệt cung cấp cho bề mặt nóng có thể bằng điện, khói lò hoặc là hơi nước bão hoà. Tuy nhiên để điều ch nh được nhiệt độ và chi phí giá thành thấp thì nên chọn hơi đốt là hơi nước bão hoà. Phần lớn các nguyên liệu trong chế biến thủy sản khô hay thực phẩm thường nhạy cảm với nhiệt (ở nhiệt độ cao bị biến tính nhiều) do đó để giảm nhiệt độ sôi của nước trong nguyên liệu thì cần phải giảm áp suất của môi trường xung quanh xuống. Như khi áp suất ở 149mmHg thì nhiệt độ sôi của nước là 600C, như vậy để sấy nguyên liệu ở nhiệt độ thấp hơn 600C thì áp suất của hơi nước của môi trường xung quanh phải nhỏ hơn 149mmHg. Phương pháp sấy bức xạ hồng ngoại. Sấy bức xạ là quá trình sử dụng năng lượng bức xạ phát ra từ vật bức xạ để làm nóng và sấy khô nguyên liệu. Thực nghiệm trong kỹ thuật sấy đã chọn được bước sóng  để nguyên liệu đạt được khả năng hấp thụ tối đa là: 0,77  340  m. Đây chính là bước sóng của tia hồng ngoại do đó sấy bức xạ cần dùng tia hồng ngoại để sấy. Như vậy khi nguyên liệu bị chiếu bằng tia hồng ngoại thì quang tốc từ năng lượng bức xạ sẽ chuyển thành nhiệt năng nhanh chóng và làm cho hàm ẩm từ nguyên liệu được tách ra. Phương pháp sấy bằng bức xạ cho chất lượng khá tốt, đồng thời còn có tác dụng diệt trùng và thời gian sấy được rút ngắn, cấu tạo của thiết bị đơn giản19 Phương pháp sấy chân không thăng hoa (đông khô). Phương pháp sấy chân không thăng hoa là quá trình tách ẩm ra khỏi nguyên liệu trực tiếp từ trạng thái rắn qua trạng thái hơi không qua trạng thái lỏng Phương pháp sấy thăng hoa là một phương pháp sấy hiện đại được ứng dụng trong công nghệ để sấy các nguyên liệu quí, các loại nguyên liệu ở thể keo, keo xốp khó sấy. Phần lớn các nguyên liệu nhạy cảm với nhiệt thường được đưa vào sấy thăng hoa để hạn chế tối đa sự giảm bớt chất lượng của sản phẩm Từ những phương pháp sấy trên, tác giả nghiên cứu các phương pháp sấy nóng, sấy nóng kết hợp hồng ngoại theo thực tế của phòng thí nghiệm. Phương pháp sấy lạnh và sấy chân không thăng hoa cho chất lượng của sản phẩm là tốt nhất nhưng chi phí giá thành cao nên không khả thi. 1.5.2. Sự khuếch tán của nước trong nguyên liệu và các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình làm khô. Quá trình khuếch tán ngoại. Khuếch tán ngoại là sự dịch chuyển hơi nước từ bề mặt nguyên liệu vào không khí ẩm mà động lực của nó là sự chênh lệch áp suất của hơi nước trên bề mặt nguyên liệu với áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí ẩm. Để tăng lượng ẩm bay hơi trong quá trình làm khô có thể thay đổi một số thông số như sau: Tăng diện tích bề mặt bay hơi thì giá đỡ nguyên liệu sấy nên làm ở dạng lưới để ẩm bay hơi được cả phía trên và phía dưới. Tăng E (áp suất hơi nước trên bề mặt nguyên liệu) bằng cách tăng nhiệt độ của nguyên liệu hay tăng nhiệt độ của tác nhân sấy. Phương pháp này ch ứng dụng cho những nguyên liệu chịu được nhiệt độ cao. Phần lớn các nguyên liệu thủy sản khi sấy ở nhiệt độ cao chất lượng bị giảm đi nhiều đặc biệt là màu sắc và mùi vị. Giảm áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí ẩm bằng cách làm lạnh không khí xuống dưới nhiệt độ đọng sương để tách một lượng nước trước khi vào thiết bị gia nhiệt để sấy. Khi sấy ở nhiệt độ không cao thì áp suất của hơi nước trên bề mặt nguyên liệu bé nhưng áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí ẩm cũng bé nên sẽ hạn chế được sự giảm động lực của quá trình sấy. Nếu so với phương pháp sấy bằng không khí nóng ở cùng một nhiệt độ sấy thì phương pháp sấy lạnh sẽ có thời gian sấy ngắn và chất lượng sản phẩm sẽ tốt hơn. Quá trình khuếch tán nội. Khuếch tán nội là quá trình chuyển dịch ẩm từ trong nguyên liệu ra bề mặt ngoài của nguyên liệu. Động lực của quá trình là sự chênh lệch về độ ẩm giữa các lớp bên trong và bên ngoài. Nếu sự chênh lệch ẩm càng lớn tức là gradien độ ẩm lớn sẽ làm cho tốc độ khuếch tán nội càng nhanh. Sự di chuyển ẩm trong quá trình làm khô trước tiên là ẩm tự do sau đó là ẩm liên kết hóa lý. Ẩm di chuyển trong nguyên liệu có thể bằng hai hình thức là ở thể lỏng hoặc thể hơi là do sự liên kết ẩm, ẩm liên kết hấp phụ khuếch tán dưới dạng hơi và ẩm liến kết thẩm thấu, kết cấu và tự do sẽ khuếch tán ở dạng lỏng. (Trần Đại Tiến, 2007) 1.5.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình làm khô. Ảnh hưởng của nhiệt độ không khí. Nhiệt độ sấy càng cao thì tốc độ làm khô sẽ nhanh hơn, nhưng nhiệt độ sấy cũng ch nằm trong giới hạn cho phép vì nhiệt độ cao sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm như bong bóng bị chín và bề mặt ngoài dễ bị tạo màng cứng làm cản trở đến sự dịch chuyển ẩm từ trong ra ngoài. Nếu nhiệt độ sấy quá thấp thì quá trình làm khô sẽ chậm lại dẫn đến chất lượng sản phẩm bị giảm do sự phân hủy Protein trong bóng bóng. Ảnh hưởng của tốc độ chuyển động của không khí. Vận tốc chuyển động của không khí ảnh hưởng lớn đến quá trình làm khô, nếu vận tốc chuyển động của không khí quá lớn làm cho hệ số bay hơi lớn nên cường độ khuếch tán ngoại lớn, dẫn đến sản phẩm sấy dễ bị tạo màng ở lớp ngoài. Nhưng nếu vận tốc chuyển động của không khí quá bé thì tốc độ làm khô sẽ chậm lại và sản phẩm dễ bị mốc, bị thối rữa tạo thành lớp dịch nhầy có màu và mùi khó chịu. Theo một số nghiên cứu, vận tốc chuyển động của không khí tối thiểu phải đạt được 0,4ms và đối với cá gầy từ 1,0 đến 1,5ms. Vận tốc chuyển động của không khí ch ảnh hưởng đến giai đoạn sấy đẳng tốc, nhưng sang giai đoạn sấy giảm tốc thì không đáng kể. Để tránh tổn hao năng lượng cho quạt gió, vận tốc chuyển động của không khí nên chọn không lớn hơn 5ms ở giai đoạn sấy đẳng tốc và 1ms ở giai đoạn sấy giảm tốc. Ảnh hưởng của độ ẩm tương đối của không khí. Độ ẩm tương đối của không khí là nhân tố ảnh hưởng quyết định đến quá trình làm khô. Độ ẩm tương đối của không khí càng lớn thì quá trình làm khô sẽ chậm lại. Theo một số nghiên cứu cho thấy nếu độ ẩm tương đối của không khí lớn hơn 65% thì quá trình làm khô chậm lại rõ rệt và trên 80% thì quá trình làm khô dừng lại và bắt đầu xảy ra hiện tượng ngược lại, tức là quá trình nguyên liệu hút ẩm. Ở Việt Nam độ ẩm của không khí khá cao thường là trên 80%. Nếu làm khô tự nhiên thì thời gian sấy sẽ bị kéo dài, làm giảm chất lượng của sản phẩm. Để giảm độ ẩm của không khí có thể bằng hai cách: Tăng nhiệt độ của không khí. Tuy nhiên khi tăng nhiệt độ thì chất lượng của sản phẩm bị giảm đi nhiều như đã trình bày ở trên về ảnh hưởng của nhiệt độ. Làm lạnh để tách bớt một lượng nước chứa trong không khí ẩm sau đó lại tăng nhiệt độ của không khí lên cho phù hợp để đưa vào thiết bị sấy. Đây chính là cơ sở của phương pháp sấy lạnh để có thể hạn chế được sự giảm chất lượng của sản phẩm trong quá trình làm khô. 19 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng nghiên cứu 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu Bong bóng cá tra mua tại xí nghiệp chế biến cá tra thuộc công ty Cổ phần Nam Việt khu công nghiệp Mỹ Quý thành phố Long Xuyên t nh An Giang. Bong bóng được bảo quản đông đá và rã đông trước khi thí nghiệm bằng cách đặt trong ngăn mát của tủ lạnh trong 24h. 2.1.2. Hóa chất và thiết bị sử dụng Hóa chất Các hóa chất sử dụng trong các thí nghiệm của đề tài là các hóa chất thí nghiệm có độ tinh khiết cao như axit acetic, Độ tinh khiết ≥ 99.5%, Muối natri cacbonat: độ tinh khiết ≥ 99.8%, Muối natri clorua: độ tinh khiết ≥ 99.5% Thiết bị Cân đo độ ẩm Sartorius MA 35, sai số 0,0001 g Máy ly tâm EBA 20 Máy đo độ nhớt Brookfield DV E Viscometer Máy đo quang phổ UV – VIS Bộ kjeldahl Bộ Soxhlet Máy đo hoạt đô nước Hygrolab. Thiết bị sấy (nóng, và nóng kết hợp hồng ngoại)… 2.2. Bố trí thí nghiệm nghiên cứu 2.2.1. Quy trình dự kiến 1 3 Sau khi tham khảo quy trình sản xuất collagen dạng màng từ bong bóng cá của Fernandes và quy trình sản xuất collagen từ bong cá bằng pepsin của P.Bama và Vijayalakshimi đưa ra quy trình dự kiến chiết xuất collagen từ bong bóng cá tra như sau: nhỏ. 2.2.2. Thuyết minh quy trình dự kiến Nguyên liệu: Bong bóng cá được rã đông, rửa sạch bằng nước, loại bỏ phần mỡ thừa và cắt Khử lipit, khoáng chất bằng ngâm dung dịch Na2CO3: Nồng độ 0.2 M trong 12 giờ ở 40C, thay dung dịch 4giờlần nhằm loại các hợp chất phi collagen, lipid, khoáng và sắc tố. Na2CO3 là muối của kim loại kiềm mạnh và axityếu, khi nó hòa tan với nước thì sẽ được tạo thành dung dịch NaOH, NaHCO3, đây là dung dịch kiềm mạnh vì thế những chất này sẽ có tác dụng làm sạch các tạp chất phi Collagen còn lại bao gồm lipit, khoáng, sắc tố, protein khác. Cơ chế khử lipit chính là nhờ phản ứng xà phòng hóa các axitbéo sản phẩm thủy phân của Triglycerit. Na2CO3 + H2O NaOH + NaHCO3 C3H5(OCOR)3 + 3NaOH → 3NaOOCR + C3H5(OH)3 Ngoài ra nó còn có tác dụng làm phá vỡ các liên kết mạch bên, các cầu liên kết ion làm cho khoáng và sắc tố tách ra dễ dàng hơn. Các protein phi Collagen có thể bị phá vỡ cấu trúc bậc cao và tách ra khỏi nguyên liệu. Rửa: Làm sạch bong bóng cá, loại hóa chất ra sau khỏi nguyên liệu sau khi ngâm. Rửa đến khi pH nước rửa trung tính. Chiết: Ngâm bong bóng cá trong dung dịch axit acetic 0.5M ở 40C trong 5 ngày nhằm chiết collagen. Axit acetic sẽ phá hủy các liên kết aldol làm sợi collagen ngắn dần và có thể tan trong dung dịch axit acetic. Lọc thô: Dùng vải lọc để loại phần bã và thu dịch chiết collagen. Ly tâm: Loại toàn bộ cặn nhỏ lơ lửng còn lại trong dịch chiết collagen. Tốc độ ly tâm 8000 vòng phút, thời gian ly tâm 30 phút. Kết tủa: Thêm dung dịch NaCl 5M vào dịch chiết collagen đến khi nồng độ đạt 3M, kết tủa collagen trong 15 phút ở 4oC. Collagen hòa tan trong dịch chiết sẽ kết tủa dưới tác dụng của muối NaCl. Lọc: Thu collagen đã kết tủa và loại phần dịch. Ly tâm và rửa Loại hết nước ra khỏi kết tủa collagen. Ly tâm 5000 vòng phút trong 10 phút. Quá trình ly tâm và rửa nhiều lần cũng mang lại hiệu quả trong quá trình tách chiết collagen nhưng nó không hiệu quả bằng phương pháp thẩm tích Trần Thị Huyền, 2012. Vì điều kiện của phòng thí nghiệm nên chọn phương pháp ly tâm cho quá trình tách collagen này. Sấy lạnh: Kết tủa collagen được sấy lạnh ở 18 – 20oC trong 16 giờ sau đó bao gói và bảo quản lạnh. 2.3. Phương pháp nghiên cứu 2.3.1 Phương pháp thu và xử lý mẫu Mẫu được đông lạnh, giữ trong thùng xốp cách nhiệt và vận chuyển về bằng xe ôtô. Tại phòng thí nghiệm, mẫu được chia thành các túi nhỏ 1kg và bảo quản đông lạnh ở 180C. Chuẩn bị nguyên liệu cho thí nghiệm: bong bong cá được rã đông, rửa sạch loại phần mỡ thừa. Sau đó cắt nhỏ và phân thành mẫu nhỏ 100 g cho mỗi mẫu thí nghiệm. 2.3.2 Phương pháp phân tích Xác định hàm lượng ẩm trong nguyên liệu: dùng cân đo độ ẩm Sartorius MA 35. (phụ lục 1) Xác định hàm lượng tro tổng: nung mẫu ở 500 – 6000C đến khối lượng không đổi. (phụ lục 2) Xác định hàm lượng lipid: sử dụng hệ thống Soxhlet. (phụ lục 3)