3. Ý nghĩa của đề tài
1.2.4.Tính chất của collagen
1.2.4.1. Sự hút nước của collagen
Collagen không hòa tan trong nước nhưng hút nước và trương nở làm tăng thể tích nguyên liệu, làm giảm độ bền liên kết trong phân tử collagen. Khi hút nước chuỗi cực tính của collagen bị ion hóa nhẹ do tác dụng lực giữa các phân tử (lực Vandervasl).
Cơ chế quá trình hút nước của collagen như sau: R R R H+. . . OH- H…OH- +H3N- CH- CO…NH-CH-CO-NH-CH-C=O R R O-
Do nước là phân tử phân cực tác dụng lên liên kết hydro, làm cho mạch vốn có trong kết cấu protein bị suy yếu đi. Collagen kết hợp với nước và trương nở làm 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 2÷3 lần.
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 [5].
1.2.4.2. Sự tương tác của collagen với acid và kiềm
Collagen là chất lưỡng tính, nó có thể tác dụng với acid và kiềm, do trên mạch bên của phân tử collagen tồn tại gốc cacboxyl và gốc amin [5].
Trong điều kiện có acid, ion H+ của acid tác dụng với nhóm COO-, điện tích cacboxyl bị ức chế (hình thành acid yếu có độ ion hóa thấp), ngược lại gốc amin bị ion hóa thành -NH3
+
.
Trong điều kiện có kiềm mạnh thì ngược lại gốc amin bị ức chế
Ngoài ra, acid và kiềm có thể làm cho collagen biến đổi như sau:
Cắt đứt mạch muối (liên kết giữa NH3+…COO-) làm đứt mạch peptid trong mạch chính.
Làm acid amin bị phân hủy giải phóng amoniac.
COOH NH3+…Cl- COOH NH3+…Cl-
COOH COOH
NH3+…Cl- NH3+…Cl-
NH2
COO-…Na+ NH2 COO-…Na+ NH2
COO-…Na+
COO-…Na+ NH2
1.2.4.3. Một số đặc điểm chất lượng của collagen
Collagen tách chiết từ mỗi loại nguyên liệu khác nhau sẽ có những đặc điểm khác nhau. Đối với các nghiên cứu trên thế giới, mỗi loại collagen được mô tả bởi rất nhiều đặc tính. Sau đây là một số đặc tính thường được xác định khi nghiên cứu sản phẩm collagen được tách chiết từ nguồn nguyên liệu mới:
Nhiệt độ biến tính collagen: cho biết thông nhiệt độ mà tại đó cấu trúc xoắn ba của collagen bắt đầu bị biến đổi thành những cuộn xoắn ngẫu nhiên. Do đó, biết được tính chất này sẽ giúp việc ứng dụng collagen được hiệu quả và thích hợp.
Bước sóng hấp thụ cực đại của colllagen: cho biết đặc tính của collagen tách chiết được có phù hợp với đặc tính chung của collagen hay không, đồng thời cũng sơ bộ đánh giá độ tinh sạch của collagen dựa vào số các peak có trên kết quả quét phổ.
Thành phần acid amin của collagen: là một trong những đặc tính rất quan trọng, không chỉ cho thấy giá trị về mặt dinh dưỡng của collagen mà thành phần acid amin còn là nên tảng để có thể dự đoán các tính chất hoá học, lý học và sinh học...của collagen.
Khối lượng phân tử collagen, đây là đặc điểm quan trọng cần xác định đối với sản phẩm collagen tách chiết được, nó là thông số gián tiếp giúp nhận biết mức độ nguyên vẹn của mạch phân tử collagen thu được (bởi vì mỗi phân tử collagen có khối lượng khoảng 300 kDa).
Phổ hồng ngoại FTIR: phân tích phổ FTIR để làm sáng tỏ cấu trúc xoắn của collagen dựa vào đặc điểm mỗi amide có độ hấp thụ ở bước sóng riêng biệt và từ các amide phát hiện giúp xác định mẫu phân tích có tồn tại cấu trúc xoắn hay không, đây là điểm đặc trưng của collagen.
Các tính chất sinh học của collagen thuỷ phân như hoạt tính chống oxy hoá, hoạt tính kháng khuẩn, khả năng ức chế enzyme…ngày càng được quan tâm nghiên cứu đối với nhiều loại collagen từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau.
Tuy nhiên với những hạn chế về thiết bị và kinh phí, trong nghiên cứu này chỉ lựa chọn một số tính chất quan trọng và cần thiết để mô tả cho sản phẩm collagen tách chiết từ da cá tra như sau:
Nhiệt độ biến tính collagen. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bước sóng hấp thụ cực đại.
Thành phần acid amin của collagen.
1.2.5. Ứng dụng của Collagen
1.2.5.1. Ứng dụng trong thực phẩm
Collagen có thể được sử dụng trong các sản phẩm thịt chế biến để cải thiện chức năng của protein nhờ sự cố định các phân tử nước tự do, đồng thời làm tăng tính ổn định cho sản phẩm. Kenney và cộng sự (1992) đã dùng collagen là chất phụ gia để làm tăng hiệu suất nấu và độ chắc cho sản phẩm thịt bò tái cấu trúc. Tuy nhiên nếu sử dụng collagen với hàm lượng 10 % nguyên liệu và gia nhiệt sơ bộ lại làm giảm tính liên kết và làm mất nước của sản phẩm dẫn tới giảm độ rắn chắc của sản phẩm.
Collagen còn được sử dụng như là chất gắn kết và làm bền hệ nhũ tương của xúc xích và giăm bông sẽ làm tăng khả năng hấp thụ và lưu giữ ẩm. Do đó làm giảm được hao hụt khối lượng trong suốt quá trình chế biến nhiệt.
Collagen được ứng dụng rất phổ biến để làm màng bao gói ăn được, đặc biệt là làm vỏ bao xúc xích. Nhờ vào cấu trúc có thứ bậc của collagen đã tạo cho lớp vỏ độ bền và độ ổn định trong suốt quá trình chế biến, tuy nhiên vẫn giữ được độ mềm cần thiết cho sản phẩm hoàn thiện. Vỏ bao bằng collagen có nhiều ưu điểm hơn so với màng bao bằng ruột động vật. Màng bao xúc xích bằng collagen vệ sinh hơn, dễ dàng bảo quản, chất lượng ổn định, dễ dàng tạo màu sắc, dễ dàng tạo kích cỡ và hình dạng theo yêu cầu do đó tạo được độ đồng đều cho sản phẩm...
Collagen cũng được sử dụng trong công nghiệp sản xuất rượu vang để loại bỏ các thành phần polyphenol và tanin có trong rượu. Những tạp chất này bị kết tủa và được loại bỏ cùng với collagen đã thêm vào [32].
1.2.5.2. Ứng dụng trong y dược
Collagen là protein được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y học ứng dụng. Có nhiều polymer tự nhiên và nhân tạo được ứng dụng như là các loại vật liệu sinh học, nhưng các tính chất của collagen khác với các tính chất của polymer tổng hợp chủ yếu ở cách thức nó tương tác với cơ thể. Collagen có tính chất hoạt động bề mặt, có khả năng phân huỷ tốt, có tính kháng nguyên yếu và có khả năng tương thích sinh học cao hơn so với các polymer khác như albumin và gelatin [12, 15, 35]. Những ứng dụng chính của collagen trong lĩnh vực y dược làm hệ thống vận chuyển thuốc bao gồm :
Màng mỏng collagen: màng collagen có tác dụng làm màng vận chuyển thuốc, các thành phần thuốc được đưa vào các màng nhờ liên kết hydro và liên kết cộng hoá
trị. Các màng collagen được dùng trong điều trị nhiễm trùng mô ví dụ như nhiễm trùng giác mạc…
Lưới collagen sử dụng trong nhãn khoa: lưới collagen có tác dụng bảo vệ biểu mô giác mạc khỏi hoạt động chớp mắt của mí mắt, đồng thời nó thúc đẩy quá trình chữa lành biểu mô sau khi cấy ghép giác mạc. Dược phẩm được vận chuyển phụ thuộc vào khả năng nạp và giải phóng dược phẩm của lưới collagen. Mạng lưới collagen hoạt động như nguồn tích trữ, dược phẩm được đưa vào các kẽ hở của mạng lưới collagen ở trạng thái dung dịch các dược phẩm hoà tan trong nước hoặc dược phẩm được liên kết trực tiếp với mạng lưới collagen. Lưới collagen khi được đưa vào trong mắt sẽ tạo ra một lớp dung dịch collagen có khả năng tương thích sinh học và nó có tác dụng bôi trơn bề mặt trong của mắt, làm giảm sự cọ xát của mí mắt với giác mạc, và thúc đấy quá trình lành biểu mô.
Băng, gạc collagen: các dạng băng gạc collagen rất hữu ích trong điều trị vết bỏng nặng và băng bó vết thương. Băng gạc collagen có nhiều ưu điểm như: (1) Có khả năng thấm hút một lượng lớn dịch tiết của mô, bám dính tốt vào vết thương ướt do đó bảo vệ vết thương khỏi sự lây nhiễm vi sinh vật. (2) Gạc collagen có khả năng kết hợp với các thành phần thúc đẩy phát triển tế bào và kết hợp với các hợp chất kháng khuẩn, làm cho quá trình chữa lành vết thương diễn ra nhanh chóng hơn. (3) Hơn nữa để đạt được hiệu quả phục hồi nhanh hơn, gạc collagen được kết hợp với một số thành phần khác như: elastin, fibronectin, và glycosaminoglycan…
Trong kỹ thuật cây ghép da, collagen được sử dụng là phương tiện vận chuyển các tế bào da được nuôi cấy hoặc là chất vận chuyển các thành phần thuốc cho quá trình thay thế da và điều trị vết bỏng. Trong kỹ thuật nuôi cấy da thay thế, màng collagen có tác dụng thúc đẩy sự phát triển của biểu mô.
1.2.5.3. Ứng dụng trong mỹ phẩm
Collagen chiếm khoảng 70 % cấu trúc của da, phân bố chủ yếu ở lớp hạ bì. Collagen tạo ra một hệ thống nâng đỡ, hỗ trợ các đặc tính cơ học của da như sức căng, độ đàn hồi làm cho da được mịn màng, duy trì độ ẩm...Sự suy giảm về chất lượng, số lượng collagen sẽ dẫn đến da trở nên khô, mất độ căng mịn, độ đàn hồi…Khi cơ thể bước qua tuổi 30, tốc độ tổng hợp collagen bị chậm lại tốc độ phân hủy gia tăng, trung bình mỗi năm collagen bị mất đi khoảng 1,5 % tổng lượng collagen của cơ thể. Trước
độ tuổi 45, 1/3 trong số tổng lượng collagen của cơ thể có thể bị mất đi. Collagen mất đi cũng ảnh hưởng đáng kể đến sự định hình các đường nét trên khuôn mặt, làn da bị chùng nhão, bị chảy, các nếp nhăn xuất hiện ngày càng nhiều.
Chính vì vậy mà việc bổ sung 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, làm tăng khả năng giữ ẩm cho da. Do đó collagen được dùng làm nguyên liệu để sản xuất các sản phẩm như: mặt nạ collagen, kem dưỡng da, sữa tắm…
Đối với tóc, collagen có tác giữ ẩm và bảo vệ tóc khỏi các tác động không có lợi từ môi trường. Đồng thời collagen cũng giúp liên kết lớp vẩy trên bề mặt sợi tóc, do đó làm giảm bớt độ rỗng xốp của tóc, giúp bề mặt sợi tóc mượt mà hơn. Collagen được dùng làm nguyên liệu để sản xuất các sản phẩm chăm sóc tóc như dầu gội và các sản phẩm dưỡng tóc.
Collagen là hợp chất đầu tiên được chứng nhận bởi FDA cho phép tiêm vào vết sẹo, nếp nhăn trên da và được xem là một dạng thuốc tiêm làm căng da. Collagen ở dạng thuốc tiêm được đưa vào lớp hạ bì để điều chỉnh các nếp nhăn và nếp gấp nhằm khôi phục lại vẻ ngoài căng min, mềm mại và trẻ trung cho làn da. Dạng thuốc tiêm collagen làm căng da không có tác dụng vĩnh viễn, nó chỉ có thể có tác dụng kéo dài trong thời gian khoảng 1 đến 2 năm bởi vì cùng với thời gian collagen sẽ bị cơ thể hấp thụ [12].
1.3. Các phương tách chiết collagen 1.3.1. Nguyên lý chung 1.3.1. Nguyên lý chung
Nguyên lý chung: quá trình tách chiết là quá trình sử dụng dung môi thích hợp để hòa tan chất cần thu nhận ra khỏi nguyên liệu. Yêu cầu của quá trình này là khả năng năng hòa tan của dung môi đối với chất cần thu phải là cao nhất để đảm bảo hiệu suất thu hồi sản phẩm, mặt khác khả năng hòa hòa tan của dung môi đối với các chất khác phải là bé nhất để đảm bảo độ sạch và chất lượng cho sản phẩm cần thu.
Những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chiết và chất lượng của sản phẩm của quá trình chiết cần lưu bao gồm:
- Loại dung môi: mỗi chất tan chỉ có thể tan tốt nhất trong một dung môi xác định. Đối với các chất có nguồn gốc sinh học thì đòi hỏi phải có một loại dung môi (đơn chất hoặc hỗn hợp chất) có độ phân cực phù hợp. Vì vậy việc chọn dung môi là quan trọng.
- Tỷ lệ dung môi so với nguyên liệu (v/w): tỷ lệ này cần đủ lớn để năng suất và hiệu suất chiết mới đảm bảo. Tỷ lệ quá lớn sẽ dẫn đến lãng phí dung môi và các chi phí sau chiết sẽ tăng rất nhiều; nếu tỷ lệ quá nhỏ sẽ dẫn đến năng suất và hiệu suất chiết thấp. Vì vậy việc xác định tỷ lệ v/w là cần thiết.
- Nhiệt độ chiết: Nhiệt độ chiết càng cao thì năng suất chiết và hiệu suất chiết càng lớn bởi vì nhiệt độ càng cao thì tốc độ quá trình khuếch tán của chất tan ra dung môi càng lớn. Tuy nhiên, việc sử dụng nhiệt độ chiết phụ thuộc rất nhiều vào bản chất của chất tan, Nhiệt độ phải được lựa chọn sao cho trong suốt quá trình chiết chất lượng của chất tan vẫn được bảo toàn.
- Thời gian chiết: Trong quá trình tách chiết xảy ra hiện tượng khuếch tán các chất tan, mà quá trình này tỷ lệ thuận với thời gian. Do đó để đảm bảo được hiệu suất tách chiết thì thời gian để thực hiện quá trình phải đủ lớn. Tuy nhiên nếu thực hiện quá trình chiết trong thời gian quá dài có thể sự tác động của dung môi tới chất tan và các yếu tố khác ảnh hưởng tới chất lượng của chất tan. Vì vậy cần đây là yếu tố quan trọng cần nghiên cứu.
- Chế độ khuấy đảo: Quá trình tách chiết có sự tác động cơ học sẽ làm tăng năng suất và hiệu suất chiết do làm tăng vận tốc chuyển động của chất tan và làm tăng quá trình vận chuyển chất tan từ nguyên liệu ra ngoài dung môi. Nếu có thể, cần ứng dụng yếu tố này để làm tăng năng suất tách chiết.
Đối với quá trình tách chiết collagen, là một loại protein khó tan, việc chọn dung môi cần lưu ý một số vấn đề sau: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Độ phân cực phù hợp, đảm bảo khả năng hòa tan của collagen. - Có độc tính thấp để không ảnh hưởng xấu lên sản phẩm.
- Khả năng hòa tan các chất phi collagen thấp để quá trình tinh sạch sau chiết được thuận lợ và không ảnh hưởng xấu đến CLSP.
- Điểm đẳng điện (pI) của collagen tự nhiên trong thủy sản khoảng 6,0 9,0 [24]; sau khi xử lý qua ngâm nước, ngâm acid, kiềm thì pI giảm chỉ còn 6,5 6,8 [5],tại pI thì khả năng hòa tan của collagen sẽ là thấp nhất, vì vậy pH của dung môi chiết phải xa pI của collagen thì khả năng hòa tan sẽ tốt hơn.
1.3.2. Nguyên lý tách chiết collagen bằng acid
Cơ chế tách chiết collagen bằng cách dùng acid chủ yếu dựa vào sự thay đổi độ tích điện của phân tử collagen. Trong môi trường acid, dư ion H+ các nhóm amin tự do trên mạch phân tử collagen bị proton hoá thành những nhóm mang điện tích dương, trong khi các nhóm cacboxyl tự do ở trạng thái không mang điện. Do đó, trong môi trường acid các phân tử collagen mang điện tích dương. Khi đó, các phân tử nước dễ dàng tương tác với các nhóm mang điên dương, làm tăng khả năng hydrat hoá cho collagen, vì vậy collagen dễ dàng hoà tan vào môi trường chiết. Hơn nữa, các sợi collagen mang điện tích dương cùng dấu sẽ đẩy nhau, do đó collagen tự giãn mạch và phân ly ra môi trường chiết. Phương pháp tách chiết collagen bằng acid được sử dụng rộng rãi, collagen thu được bằng phương pháp này được gọi là “collagen hoà tan bởi acid (ASC)”.
Collagen từ tất cả các mô có thể được tách chiết trực tiếp bằng acid hữu cơ (acid acetic, citric, lactic) hoặc acid vô cơ (hydrochloric). Hiệu suất tách chiết collagen phụ thuộc vào loài động vật, mức độ trưởng thành và các yếu tố của quá trình tách chiết. Shierka và Sadowska (2007) đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của các loại acid khác nhau tới khả năng tách chiết collagen từ da cá tuyết Baltic (Gadus morhua). Hiệu suất chiết collagen bằng các acid ở nồng độ 0,5 M là: acid citric đạt 60%, acid acetic và acid lactic đạt 90% (tính theo hàm lượng hydroxyproline). Trong khi chiết bằng acid HCl 0,15 M thì