TIỂU LUẬN TÌM HIỂU QUY TRÌNH SẢN XUẤT COLLAGEN

TIỂU LUẬN TÌM HIỂU QUY TRÌNH SẢN XUẤT COLLAGEN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ THỰC PHẨM



BÀI TIỂU LUẬN MÔN: CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN THỦY SẢN.

ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU QUY TRÌNH SẢN

STT Họ và Tên MSSV Nhiệm vụ

3 Hoàng Thị Hồng Yến 12107371 Nguyên lý sản xuất

5 Phan Thị Thu Hằng 12072051 Quy trình công nghệ

MỤC LỤC.

LỜI MỞ ĐẦU.

Collagen là một dạng protein cấu trúc sợi dài và hầu hết các chức năng của nó khácvới dạng protein phổ biến là enzym (cấu trúc collagen) Những bó collagen hay còngọi là sợi collagen là thành phần chính của thể nền màng tế bào cấu tạo nên hầu hếtcác mô và cấu trúc bên ngoài tế bào, nhưng collagen cũng được tìm thấy trong tế bào.collagen có cường độ kéo đứt lớn và là thành phần chính của gân, sụn, xương, dâychằng, da Collagen tạo ra sự đàn hồi của da và nếu nó thoái hóa sẽ gây ra nếp nhăntuổi già.

Trong quá trình triết ly collagen có công đoạn thủy phân Quá trình này tạo ra ollagenthủ phân, được gọi là collagen hydrolysate Tùy theo mức độ thủy phân mà collagen

có ứng dụng khác nhau Collagen hydrolysate được ứng dụng phổ biến trong côngnghệ thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm và công nghiệp nhiếp ảnh Chúng được sửdụng như chất đông, chất gây lắng trong thực phẩm Chúng được dùng như chất thaythế cao su, keo dán, xi măng, mực in nhân tạo, là chất tạo kết dính trong diêm quẹt,trong bộ lọc sáng của đèn thủy ngân,…

Hiện nay, sự phát triển mạnh về collagen với những ứng dụng phong phú đã thực sự

có ích cho cuộc sống con người

Nhóm chúng em được phân công tìm hiểu về quy trình sản xuất collagen

Bài tiểu luận còn nhiều khiếm khuyết do kiến thức và sự hiểu biết có hạn, rất mongnhận được sự góp ý của quý thầy cô

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN.

CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ SẢN XUẤT.

Dựa trên cơ sở tan trong acid acetic của collagen ta có thể ly tâm để táchcollagen ra khỏi phần bã để thu được dung dịch có chứa collagen

Trong dung dịch muối trung tính cùng với gốc –COOH và –NH2 collagen taothành các hợp chất muối tủa Do tính chất tủa trong NaCl của collagen nên có thể sửdụng NaCl để tủa phần dung dịch có chứa collagen và lấy phần tủa bằng phương pháp

ly tâm

Để thu được collagen sạch tiếp tục hòa tan phần tủa vào acid acetic.Tính chất protein hòa tan thành dung dịch keo không đi qua màng bán thấm nên sửdụng màng bán thấm để thu nhận collagen tinh sạch

Màng bán thấm có tính chất chỉ cho các chất có phân tử nhỏ đi qua còn protein

là đại phân tử sẽ bị giữ lại Dung dịch rửa sẽ thấm qua màng vào dung dịch keo, trongkhi đó các ion và các phân tử nhỏ sẽ chuyển vào dung dịch rửa có nông độ thấp hơn Như vậy thường xuyên thay dung dịch rửa ta sẽ thu được collagen tinh sạch

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGUYÊN LIỆU.

1.5 nm

300 nm

2.1 Giới thiệu sơ lược về Collagen:

Collagen là loại protein cấu trúc chính yếu, chiếm khoảng 30% tổng lượngprotein trong cơ thể ở các động vật có xương sống Collagen có nhiều trong gân, da,xương, hệ thống mạch máu của động vật và có mặt trong các lớp màng liên kết baoquanh các cơ Khoảng 10% protein trong cơ ở động vật có vú là collagen; các proteinngoại bào (hơn 90% trong gân, xương và khoảng 50% trong da) có chứa collagen Nó

có tác dụng giống như một chất keo liên kết các tế bào lại với nhau để hình thành các

mô và cơ quan nền tảng trong cơ thể

Collagen cung cấp cho các mô liên kết những đặc tính nổi trội nhờ vào sự hiệndiện rộng khắp và sự sắp xếp mang tính cấu trúc của nó Nó phân bố khắp nơi trong

cơ thể, từ chỗ gân nối bắp chân với gót chân cho tới giác mạc Trong gân và dâychằng, collagen có tác dụng truyền lực từ cơ sang xương và tích trữ năng lượng đànhồi Sự di chuyển nhịp nhàng, uyển chuyển sẽ không thể thực hiện được nếu thiếunhững tính chất này Collagen còn là chất nền hữu cơ có trong xương và men rănggiúp chúng chống lại sự rạn nứt Nó là thành phần chính trong da, mạch máu, các cơ.Collagen không chỉ có chức năng cơ học, chẳng hạn như ở giác mạc, trật tự cấu trúccủa các sợi collagen tạo nên sự trong suốt

Collagen được xem như một vật liệu mang tính xây dựng Sự linh hoạt của nó lànhờ vào cấu trúc cấp bậc phức tạp, tạo nên sự đa dạng trong tính chất nhằm phục vụnhững chức năng nhất định

2.2 Cấu trúc của collagen:

2.2.1 Cấu trúc phân tử của collagen:

Phân tử collagen (hay còn gọi là tropocollagen) là một protein hình trụ, dàikhoảng 300 nm, đường kính khoảng 1,5 nm

Hình 2.1 Cấu trúc của phân tử collagen (triple helix).

Nó bao gồm 3 chuỗi polypeptide (gọi là chuỗi α) cuộn lại với nhau Mỗi chuỗi α

cuộn thành đường xoắn ốc theo hướng từ phải sang trái với 3 gốc trên một vòng xoắn

Ba chuỗi này xoắn lại với nhau theo hướng từ trái sang phải tạo thành đường bộ baxoắn ốc

Hình 2.2 Sự hình thành chuỗi xoắn ốc nội phân tử và giữa các chuỗi polypeptide.

Mỗi chuỗi polypeptide có khối lượng phân tử khoảng 100 kDa, tạo nên tổng khốilượng phân tử của collagen khoảng 300 kDa Chuỗi α được cấu tạo bởi khoảng 1000amino acid Các chuỗi α khác nhau (α1, α2 và α3) ở thành phần amino acid Sự phân

bố của các chuỗi α1, α2 và α3 trong các phân tử collagen khác nhau tùy thuộc vào sựkhác nhau về gene

Collagen không có chứa tryptophan, giàu thành phần glycine, proline vàhydroxyproline, là một trong số ít những protein có chứa hydroxylysine Nó chứakhoảng 33% glycine, 12% proline và 11% hydroxyproline Các amino acid sắp xếptrong chuỗi xoắn ốc theo các dãy với sự phân bố như sau:

Bảng 2.1 Sự phân bố các amino acid trong chuỗi polypeptide.

Gly – X – XGly – X – IGly – I – XGly – I – I

0,440,20,270,09

2.2.2 Cấu trúc sợi của collagen:

Phần lớn collagen trong mạng lưới ngoại bào được tìm thấy ở dạng sợi, bao gồmnhững sợi mảnh, nhỏ Thông qua quá trình tạo sợi, các phân tử collagen tổ hợp với

Phân tử collagen, dài 300 nm, đường kính vòng xoắn 1,5 nm

Chuỗi polypeptide

Tổ hợp thành vi sợi

Tổ hợp thành sợi

phân tử collagen.

a b

Các chuỗi collagen sắp xếp song song theo chiều dọc tạo thành các sợi với tínhchu kỳ nhất định Chúng được sắp xếp so le nhau một khoảng 67 nm và có mộtkhoảng trống khoảng 40 nm giữa những phân tử liền kề nhau

Nhờ vào cấu trúc có thứ bậc, độ bền vốn có của các chuỗi xoắn ốc được chuyển sangcác sợi collagen, cung cấp cho các mô độ cứng, độ đàn hồi và những đặc tính cơ họcriêng biệt

Hình 2.5 Hình ảnh của bó sợi (a) và sợi (b) collagen.

Sợi collagen là các tổ hợp có cấu trúc bán kết tinh của các phân tử collagen Các

vi sợi kết hợp tạo nên sợi lớn hơn Các sợi collagen được sắp xếp với những cách thứckết hợp và mức độ tập trung khác nhau trong các mô khác nhau để cung cấp các đặctính khác nhau của mô

2.3 Phân loại collagen:

Tính đến thời điểm hiện tại, có 42 loại chuỗi polypeptide được nhận dạng Chúngđược mã hóa bởi 41 loại gene khác nhau, tạo thành 27 loại collagen Họ collagen đượcphân loại thành những phân họ khác nhau dựa vào sự tổ hợp của các siêu phân tử [4]

Hình 1.8 Một vài dạng sinh học của collagen.

Hiện tại, có ít nhất khoảng 13 loại collagen đã được trích chiết Chúng khác nhau về chiều dài của chuỗi xoắn ốc cũng như bản chất và kích cỡ của những phần không xoắnốc

Bảng 2.2 Kết cấu chuỗi và sự phân bố của các loại collagen trong cơ thể người.

Loại collagen Kết cấu chuỗi Phân bố

I (α1(I))2α2(I), trimer (α1(I))3 Da, gân, xương, giác mạc, men răng,

Giác mạc, xương, mạch máu, sụn, nướu răng

VI α1(VI) α2(VI) α3(VI) Da, cơ tim

VII (α1(VII))3 Da, phổi, sụn, giác mạc, nhau

IX α1(IX) α2(IX) α3(IX) Sụn

XI α1(XI) α2(XI) α3(XI) Sụn, đĩa đệm cột sống, dịch thủy tinh

Hơn 90% collagen trong cơ thể là các collagen loại I, II, III và IV Những bệnhtật liên quan đến collagen là do sự khuyết tật về gene ảnh hưởng đến sự sinh tổng hợp,

sự sắp xếp cũng như các quá trình khác trong sự sản sinh collagen một cách bìnhthường

2.4. Thành phần các acid amin có trong collagen:

Mỗi loại collagen gồm có hàng nghìn cấu trúc amino acid, chủ yếu gồm có glycine,proline, hydroxyproline Collagen không chứa tryptophan, và là một trong số ít cácprotein chứa hydroxylysine Các amino acid sắp xếp trong chuỗi xoắn ốc theo các dãyvới sự phân bố như sau:

Bảng2.3: Sự phân bố các amino acid trong chuỗi polypeptide.

2.5. Tính chất của collagen:

2.5.1 Tác dụng với nước:

Collagen không hòa tan trong nước mà nó hút nước để nở ra, cứ 100g Collagen khô

có thể hút được khoảng 200g nước Collagen kết hợp với nước nở ra trong nước, độdày tăng lên chừng 25% nhưng độ dài tăng lên không đáng kể, tổng thể tích của phân

tử collagen tăng lên 2 – 3 lần

2.5.2 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+

Ngoài ra acid và 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 acid amin bị phân hủy giải phóng ra ammoniac

Collagen phân giải biến thành gelatin, căn cứ vào giả thuyết của Hofmeister phản ứng

sẽ tiến hành như sau:

Nếu xử lý trong điều kiện nhiệt độ cao và có nước thì keo dễ tiếp tục biến đổi thành

Do đó nếu muốn sản xuất gelatin thì ta phải khống chế nhiệt độ thích hợp cho chấtlượng của gelatin được đảm bảo

2.5.3 Các tính chất khác của collagen:

- Khả năng tạo nhũ tương:

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

- Khả năng hòa tan:

Collagen tan trong glycerin, acid 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 dungdịch đệm khác nhau: tan trong muối trung tính, tan trong acid, tan trong kiềm, vàkhông 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 bậchai, ba và bậc bốn của protein bị biến đổi làm cho các liên kết hydro, các cầu nốidisunfit, các liên kết ion bị phá vở nhưng không phá vỡ liên kết peptide, tức là cấutrúc bậc một vẫn giữ nguyên, protein sẽ thay đổi tính chất so với ban đầu Đó là hiệntượng biến tính protein Sau khi bị biến tính, protein thường có các tính chất sau:

• Độ hòa tan giảm do làm lộ các nhóm kị nước vốn ở bên trong phân tử protein

• Hoạt tính sinh học ban đầu mất đi

• Tăng độ nhạy đối với sự tấn công của enzyme protease do làm xuất hiện cácliên kết peptide ứng với trung tâm hoạt động của protease

• Tăng độ nhớt nội tại

• Mất khả năng kết tinh

- Tính kị nước :

Do các gốc kị nước của các acid 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 giảithích là do các acid amin có chứa các gốc R- không phân cực nên nó không có khảnăng 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 Haiyếu 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 tủathuận 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 acid amin có chứa cả gốc acid (COO-) vàgốc base (NH2-) Cả acid amin và protein đều có tính chất lưỡng tính

2.6. Các nguồn nguyên liệu có chứa collagen:

Collagen chứa trong hầu hết các bộ phận của cơ thể như mô, gân, xương, tủy,da… của các loại động vật như cá nước ngọt, cá nước mặn, ếch, cá xấu, lợn, bò ,trâu… tuy nhiên do ở nước ta lượng xuất khẩu cá tra, cá basa là rất lớn do đó lượngphế phẩm là da cá là rất lớn, lúc trước nó chỉ dùng làm thức ăn chăn nuôi nên giá trịcủa nó là không cao do đó trích ly collagen từ da cá tra là 1 hướng đi mới và đầy tiềmnăng

2.7 Gelatin:

Từ gelatin đã trở nên phổ biến từ những năm 1700, được bắt nguồn từ tiếng Latinh

gelatus, nghĩa là màng hay chất làm đông Hiện nay có nhiều cách khác nhau để

định nghĩa gelatin

 Thành phần hóa học của gelatin:

Phân tử gelatin bao gồm:

Mặc dù có gần đủ các loại acid amin nhưng gelatin không phải là một hệ protein hoànchỉnh Khi so sánh với hệ protein trứng hay sữa thì gelatin có một hệ protein khônghoàn chỉnh và chưa cân đối

Gelatin có nguồn gốc từ thịt, cá, thực vật

Khi dùng gelatin trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau, tính chất công nghệ là củagelatin là yếu tố được quan tâm hàng đầu Các tính chất này ảnh hưởng tới chất lượngsản phẩm, khả năng ứng dụng của gelatin vào các loại sản phẩm khác nhau Vì vậycần phải nghiên cứu đầy đủ, sâu sắc các tính chất công nghệ của gelatin nhằm nângcao khả năng ứng dụng của gelatin

 Tính chất vật lí:

Gelatin là chất rắn dạng miếng, vảy, bột hoặc hạt, không mùi, không vị, trongsuốt, có màu từ vàng nhạt đến màu trắng Ở nhiệt độ và độ ẩm bình thường, gelatinchứa từ 912% ẩm và có tỉ trọng riêng từ 1.3 - 1.4 Các hạt gelatin rắn khi ngâm trongnước sẽ hút nước và trương nở

Gelatin được điều chế ở điều kiện nhiệt độ cao, các nhóm amide bị thuỷ phân vàcấu trúc chuỗi xoắn ốc collagen bị phá huỷ Cấu trúc của gelatin không có trật tự vàkhối lượng phân tử phân bố trong một khoảng rộng là cho sự tái tạo sợi không thể xảy

ra Thêm vào đó, sự tổ hợp của các đơn phân collagen trong quá trình tạo sợi liên quanđến sự tương tác tĩnh điện, kỵ nước qua lại giữa các chuỗi collagen Quá trình điềuchế collagen dựa vào sự gia tăng của các điện tích âm, điều này góp phần làm cho sựtương tác giữa các phân tử khó khăn do lực đẩy giữa các điện tích âm Do đó, gelatinkhông có khả năng hình thành sợi

Trong phạm vi ngành công nghệ thực phẩm:

Gelatin được sử dụng rộng rãi vì tính chất vật lí của nó hơn là giá trị dinh dưỡng của một protein

Trong chế biến kẹo:

- Gelatin, agar, pectin: kết cấu dòn, dễ vỡ

- Gelatin, tinh bột biến tính: kết cấu kém đàn hồi

- Gelatin, gum Arabic: kết cấu cứng, chắc

- Gelatin được sử dụng như một phụ gia tạo cấu trúc trong công nghiệp sữa và các sản phẩm từ sữa

Các sản phẩm thịt giữ một vai trò quan trọng trong công nghiệp thực phẩm ở nhiều quốc gia Gelatin thu được từ nguyên liệu động vật và có thể xem như một thành phần

tự nhiên của protein thịt trong các sản phẩm từ thịt…

CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH SẢN XUẤT COLLAGEN.

3.2 Thuyết minh quy trình:

Quy trình trên được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm

 Nguyên liệu:

- Xuất xứ: da cá Basa được mua từ Công ty TNHH Thuỷ Sản Bình An (Binh AnSeafood Joint Stock Company), Lô 2.17, Khu Công Nghiệp Trà Nóc II, TP.Cần Thơ

- Da cá được tách ra bằng phương pháp cơ học ở nhà máy Sau khi mua về, ta rửa sạch bằng nước, loại bỏ sơ bộ các phần mỡ còn sót lại trên da và tồn trữ ở khoảng -200C cho đến khi sử dụng

 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 trong quá trình chế biến.

 Xử lý:

- Để thu được collagen không có mùi, da cá nguyên liệu cần phải được loạiloại bỏ các chất béo Ta áp dụng phương pháp của Gudmundsson vàHafsteinsson (1997), phương pháp được trình bày như sau:

- Da cá Basa sau khi được rửa sơ bộ với nước sẽ được tiếp tục xử lý với lầnlượt 3 loại dung dịch (NaOH 0,2%, H2SO4 0,2% và Citric Acid 0,7%) với tỉ

lệ da : dung dịch là 1:10 (g/ml) nhằm mục đích thu được collagen khôngmùi Với mỗi loại dung dịch, da cá được xử lý qua 3 lần, mỗi lần tương ứngvới thời gian là 1h Sau mỗi lần xử lý, da phải được rửa sạch dưới vòi nướcđến khi đạt pH = 7 trước khi tiến hành ngâm lần tiếp theo 0,5% chất hoạtđộng bề mặt (LasNa) được thêm vào tất cả các dung dịch sử dụng trong quytrình nhằm nâng cao khả năng loại mùi

- Tuy nhiên, theo lý thuyết quy trình này có thể làm mất đi một lượngcollagen Ta tiến hành thêm một quy trình dựa trên nguyên tắc của quy trìnhtrên nhưng không sử dụng acid để rửa 2 mẫu da của 2 quy trình xử lý (códùng acid và không dùng acid) sẽ được đối chứng với nhau

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 xay 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: