LUẬN VĂN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GELATIN TỪ DA CÁ TRA

Đề tài “ Nghiên cứu tối ưu hóa công nghệ sản xuất gelatin từ da cá Tra” đã được thực hiện trong 3 tháng với các nội dung sau: - Tổng quan tài liệu về nguồn nguyên liệu, phương pháp sản x

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BK

TP.HCM

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GELATIN TỪ DA CÁ TRA

SVTH : VŨ LÊ HOÀNG VÂN CBHD : TS TRẦN BÍCH LAM

TP Hồ Chí Minh, 01/2008

Tp Hồ Chí Minh, Ngày …… tháng …… năm ……

š ›

Trong suốt thời gian học tập trên giảng đường đại học, tôi đã nhận được nhiều sự hướng dẫn của thầy cô, sự quan tâm giúp đỡ của gia đình và bạn bè Giờ đây, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến những người đã luôn động viên tôi hoàn tất chương trình học cũng như đã luôn ở cạnh tôi trong những tháng năm đầu tiên bước vào đời

Cảm ơn cô Trần Bích Lam đã nhiệt tình hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi nhất cho em hoàn thành luận văn này

Xin cảm ơn tập thể quý thầy cô Khoa Kỹ thuật Hóa học, đặc biệt là các thầy cô trong

bộ môn Công nghệ Thực phẩm – những người đã trực tiếp truyền đạt cho em những kiến thức chuyên ngành cũng như những kiến thức xã hội cần thiết, giúp ích cho em trong công việc tương lai

Cảm ơn gia đình, vì đã luôn là chỗ dựa vững chắc về mặt vật chất cũng như tinh thần giúp tôi vượt qua những khó khăn trong học tập và cả trong cuộc sống

Cảm ơn những người bạn tốt đã hết lòng giúp đỡ và hỗ trợ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Tháng 1/2008, Tp Hồ Chí Minh Sinh viên thực hiện

Vũ Lê Hoàng vân

Đề tài “ Nghiên cứu tối ưu hóa công nghệ sản xuất gelatin từ da cá Tra” đã được thực hiện trong 3 tháng với các nội dung sau:

- Tổng quan tài liệu về nguồn nguyên liệu, phương pháp sản xuất, tính chất và

ứng dụng của gelatin

- Tiến hành thử nghiệm so sánh công nghệ sản xuất gelatin theo 3 phương pháp

xử lý là phương pháp kiềm – acid, phương pháp acid, phương pháp enzyme – acid Trên cơ sở đó lựa chọn phương pháp acid do có hiệu suất trích ly cao và chất lượng gelatin tương đối tốt để tiến hành tối ưu hóa

- Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố: nồng độ acid, thời gian xử lý acid, tỷ lệ acid / nguyên liệu đến giai đoạn xử lý nguyên liệu

- Tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng trong giai đoạn xử lý nguyên liệu bằng phương pháp quy hoạch thưc nghiệm

- Thử nghiệm sản xuất gelatin da cá thành phẩm với các thông số đã tối ưu

- Kiểm tra các tính chất của gelatin sản xuất được và so sánh với một số loại gelatin khác trên thị trường để bước đầu đánh giá khả năng thay thế của gelatin từ da cá cho các loại gelatin khác thường dùng trong các sản phẩm thực phẩm

Lời cảm ơn i

Tóm tắt luận văn ii

Mục lục iii

Danh mục các bảng vi

Danh mục các hình viii

Danh mục các công thức x

Mở đầu .1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Nguyên liệu da cá 3

1.1.1 Cá Tra 3

1.1.2 Da cá 4

1.2 Collagen 5

1.2.1 Cấu tạo 6

1.2.2 Tính chất .8

1.3 Gelatin 9

1.3.1 Lịch sử phát triển .9

1.3.2 Định nghĩa 10

1.3.3 Cấu tạo 11

1.3.4 Phân loại 15

1.3.5 Tính chất 19

1.3.6 Phương pháp sản xuất 26

1.3.7 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của gelatin 36

1.3.8 Một số phương pháp cải tiến chất lượng của gelatin 38

1.3.9 Ứng dụng 38

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 43

2.1 Nguyên vật liệu nghiên cứu 43

2.1.3 Thiết bị sử dụng 44

2.2 Phương pháp nghiên cứu 45

2.2.1 Mục đích nghiên cứu 45

2.2.2 Sơ đồ nghiên cứu 45

2.2.3 Thuyết minh sơ đồ nghiên cứu 46

2.3 Các phương pháp phân tích 51

2.3.1 Phương pháp xác định độ ẩm 51

2.3.2 Phương pháp xác định hàm lượng tro tổng 52

2.3.3 Phương pháp xác định hàm lượng lipid trong mẫu rắn 52

2.3.4 Phương pháp xác định hàm lượng lipid trong mẫu lỏng 53

2.3.5 Phương pháp xác định hàm lượng nitơ tổng và protein tổng 53

2.3.6 Phương pháp đo độ nhớt 55

2.3.7 Phương pháp xử lý số liệu 56

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 61

3.1 Xác định thành phần hóa học của nguyên liệu 61

3.2 Chọn phương pháp công nghệ 62

3.3 Khảo sát chế độ xử lý 65

3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ acid đến khả năng trương nở 65

3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian xử lý đến khả năng trương nở 67

3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ acid đến khả năng trương nở 68

3.4 Tối ưu hóa các thông số công nghệ của quá trình xử lý nguyên liệu 69

3.4.1 Xác định phương trình hồi quy cho các hàm mục tiêu 70

3.4.2 Tối ưu hóa cho các hàm mục tiêu 80

3.4.3 Tối ưu hóa cho ba hàm mục tiêu 88

3.5 Thử nghiệm sản xuất gelatin 91

3.5.1 Đánh giá sơ bộ quá trình ly tâm .92

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98

4.1 Kết luận 98

4.2 Kiến nghị 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

PHỤ LỤC: SỐ LIỆU KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 105

Bảng 1.1 : Khối lượng các phần khác nhau của cá Tra 4

Bảng 1.2: Thành phần chuỗi α của hai loại collagen dùng sản xuất gelatin 7

Bảng 1.3: Sự phân bố acid amin của 3 chuỗi α trong collagen loại I và loại III 7

Bảng 1.4: Thành phần acid amin thu được khi thủy phân 100g mẫu gelatin 12

Bảng 1.5: Các phân đoạn phân tử chính trong gelatin 14

Bảng 1.6: Tỷ lệ các phân đoạn phân tử trong gelatin có Bloom 250g 15

Bảng 1.7: So sánh thành phần acid amin trong gelatin cá với gelatin động vật 16

Bảng 1.8: So sánh chất lượng dịch trích ly của phương pháp xử lý kiềm với enzyme 29

Bảng 1.9: Kết quả xử lý nguyên liệu bằng các loại enzyme khác nhau 29

Bảng 1.10: So sánh khả năng ứng dụng của gelatin và các phụ gia thay thế gelatin 38

Bảng 1.11: Tóm tắt chức năng của gelatin trong các sản phẩm thực phẩm 39

Bảng 1.12: Loại gelatin dùng trong thực phẩm 40

Bảng 2.1: Thiết bị, dụng cụ sử dụng trong thí nghiệm 44

Bảng 2.2: Bố trí thí nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm 49

Bảng 3.1: Thành phần hóa học của da cá Tra 61

Bảng 3.2: Kết quả so sánh hiệu suất và chất lượng giữa ba phương pháp 64

Bảng 3.3: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ lên khả năng trương nở của nguyên liệu 66

Bảng 3.4: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian xử lý acid lên khả năng trương nở của nguyên liệu 67

Bảng 3.5: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ acid lên khả năng trương nở của nguyên liệu 68

Bảng 3.1: Ma trận quy hoạch cấp 1 70

Bảng 3.7: Ma trận quy hoạch cấp 1 mở rộng của hiệu suất 71

Bảng 3.8: Ma trận quy hoạch trực giao cấp 2 của hiệu suất 72

Bảng 3.9: Ma trận quy hoạch cấp 1 mở rộng của độ màu 77

Bảng 3.10: Ma trận quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2 của độ màu 78

Bảng 3.13: Kết quả leo dốc cho hàm mục tiêu độ màu 87

Bảng 3.14: Kết quả leo dốc cho 3 hàm mục tiêu 90

Bảng 3.15: Tổng kết các kết quả thử nghiệm sản xuất gelatin 91

Bảng 3.16: So sánh tính chất của gelatin sấy ở 1200C và 1500C 94

Bảng 3.17: Kết quả tính toán hiệu suất thu hồi chất khô của quá trình sấy phun 94

Bảng 3.18: Chất lượng gelatin thí nghiệm và 2 loại gelatin thương mại 95

Bảng 4.1: Chất lượng gelatin thí nghiệm 98

Bảng PL1.1: Kết quả phân tích hàm lượng ẩm 105

Bảng PL1.2: Kết quả đo phân tích hàm lượng tro 105

Bảng PL1.3: Kết quả phân tích hàm lượng protein của da cá 106

Bảng PL1.4: Kết quả phân tích hàm lượng lipid 107

Bảng PL2.1: Kết quả trích ly bằng phương pháp enzyme – acid 107

Bảng PL2.2: Kết quả trích ly bằng phương pháp kiềm – acid 108

Bảng PL2.3: Kết quả trích ly bằng phương pháp acid 108

Bảng PL3.1: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ acid đến khả năng trương nở của nguyên liệu 109

Bảng PL3.2: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian xử lý acid đến khả năng trương nở của nguyên liệu 109

Bảng PL3.3: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ acid sử dụng đến khả năng trương nở của nguyên liệu 109

Bảng PL4.1: Kết quả thí nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2 110

Bảng PL5.1: Kết quả phân tích hàm lượng tro của sản phẩm 111

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Liên kết ngang giữa các phân tử tropocollagen 6

Hình 1.2: Cấu tạo phân tử collagen 6

Hình 1.3: Tỷ lệ thành phần các acid amin cơ bản của gelatin 11

Hình 1.4: Cấu trúc Gly – X – Y thường gặp của gelatin 13

Hình 1.5: Cấu trúc cơ bản của gelatin 13

Hình 1.6 : Cấu trúc không gian của chuỗi xoắn ốc 14

Hình 1.7: Tỷ lệ nguyên liệu dùng để sản xuất gelatin năm 2006 17

Hình 1.8: Ảnh hưởng của nhiệt độ và nguồn nguyên liệu đến độ nhớt của dung dịch gelatin 21

Hình 1.9: Ảnh hưởng của nhiệt độ và nồng độ đến độ nhớt của dung dịch gelatin từ da cá cod 21

Hình 1.10: Ảnh hưởng của nồng độ đến độ bền gel của các gelatin khác nhau 24

Hình 1.11: Ảnh hưởng thời gian tạo gel đến độ bền gel của các loại gelatin 24

Hình 1.12: Ảnh hưởng của nhiệt độ tạo gel đến độ bền gel của các loại gelatin 24

Hình 1.13: Ảnh hưởng của pH đến độ bền gel của các loại gelatin khác nhau 25

Hình 1.14: Ảnh hưởng của pH đến lưu lượng dòng permeate, trở lực của màng lọc 33

Hình 1.15: Ảnh hưởng của áp suất lọc đến lưu lượng dòng permeate và tốc độ thu hồi protein 33

Hình 1.16: Ảnh hưởng của nồng độ dịch lọc đến lưu lượng dòng permeate và tốc độ thu hồi protein 34

Hình 2.1: Nguyên liệu da cá của công ty AGFISH 43

Hình 3.1: Ảnh hưởng của nồng độ acid xử lý đến độ trương nở 66

Hình 3.2: Ảnh hưởng của thời gian xử lý acid đến độ trương nở 67

Hình 3.3: Ảnh hưởng của ty lệ acid đến khả năng trương nở 68

Hình 3.4 : Dịch gelatin sau trích ly 92

Hình 3.5: Dịch gelatin sau khi ly tâm 93

Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn lực đâm xuyên mẫu gel tạo từ gelatin sản xuất từ phòng t hí nghiệm ở nồng độ 6,67% 96 Hình 3.9: Đồ thị biểu diễn lực đâm xuyên mẫu gel tạo từ gelatin Đức ở nồng độ 6,67%97 Hình 3.10: Đồ thị biểu diễn lực đâm xuyên mẫu gel tạo từ gelatin Pháp ở nồng độ 6,67% 97

CT 2.1: Công thức tính hàm ẩm 51

CT 2.2: Công thức tính hàm lượng tro tổng 52

CT 2.3: Công thức tính hàm lượng chất béo trong nguyên liệu rắn 52

CT 2.4: Công thức tính hàm lượng chất béo trong nguyên liệu lỏng 53

CT 2.5: Công thức tính hàm lượng nitơ tổng 54

CT 2.6: Công thức tính hệ số điều chỉnh nồng độ NaOH 0,1N 54

CT 2.7: Công thức tính nồng độ NaOH theo tính toán 54

CT 2.8: Công thức tính hàm lượng protein tổng 54

CT 2.9: Công thức tính độ nhớt 55

CT 2.10: Công thức tính hàm lượng chất khô ban đầu 56

CT 2.11: Công thức tính hàm lượng chất khô sau trích ly 56

CT 2.12: Công thức tính hiệu suất trích ly 56

CT 2.13: Công thức tính hiệu suất thu hồi chất khô của quá trình sấy phun 56

CT 2.14: Công thức chuyển các đại lượng có thứ nguyên sang đại lượng không thứ nguyên 57

CT 2.15: Công thức tính hệ số phương trình hồi quy cấp 1 57

CT 2.16: Công thức tính hệ số bj phương trình hồi quy trực giao cấp 2 58

CT 2.17: Công thức tính hệ số bji phương trình hồi quy trực giao cấp 2 58

CT 2.18: Công thức tính hệ số bjj phương trình hồi quy trực giao cấp 2 58

CT 2.19: Công thức tính giá trị trung bình của các yếu tố ở tâm phương án 58

CT 2.20: Công thức tính phương sai tái hiện 58

CT 2.21: Công thức tính phương sai của hệ số bj 58

CT 2.22: Công thức tính phương sai của hệ số bji 59

CT 2.23: Công thức tính phương sai của hệ số bjj 59

CT 2.24: Công tính hệ số t của bj 59

CT 2.25: Công tính hệ số t của bji 59

CT 2.26: Công tính hệ số t của b 59

CT 2.29: Công thức tính vectơ gradient 60

CT 2.30: Công thức tính vectơ gradient qua điểm xuất phát 60

CT 2.31: Công thức tính gradY 60

CT 2.32: Công thức tính giá trị các yếu tố sau k lần leo dốc 60

CT 2.33: Công thức tính giá trị leo dốc của các yếu tố theo hướng dốc nhất 60

Gelatin là một loại polymer sinh học được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ thực phẩm, dược phẩm và công nghệ nhiếp ảnh Gelatin có nhiều tính chất ưu việt hơn hẳn so với các loại polymer khác như khả năng tạo gel, tạo đặc, khả năng tăng tính ổn định cho sản phẩm và đặc biệt là khả năng tan chảy ở nhiệt độ cơ thể Với các tính chất này đã giúp nhu cầu sử dụng gelatin ngày càng tăng nhanh Theo thống kê của GME (Gelatin Manufacturers Of Europe) năm 2006 đã có 315 000 tấn gelatin được sử dụng và dự báo lượng gelatin sử dụng sẽ tiếp tục tăng trong những năm tới Nhu cầu gelatin tăng đòi hỏi phải có nguồn nguyên liệu lớn, tuy nhiên trong những năm gần đây, bệnh bò điên, bệnh

lở mồm long móng đã làm cho mức tiêu thụ các sản phẩm từ heo và bò giảm Ngoài ra, vì vấn đề tôn giáo nên gelatin sản xuất từ heo và bò không được sử dụng ở các nước Ấn Độ giáo và Hồi giáo Để mở rộng phạm vi sử dụng và cải thiện độ an toàn cho sản phẩm gelatin, yêu cầu tìm kiếm nguồn nguyên liệu mới để sản xuất gelatin trở nên cần thiết và nguồn nguyên liệu mới được chú ý khai thác nhiều nhất là da cá

Ở nước ta, ngành nuôi trồng và đánh bắt thủy hải sản đang được phát triển mạnh

mẽ cả về chất lượng và số lượng, sản lượng thủy hải sản khai thác không chỉ phục vụ nhu cầu trong nước mà còn phục vụ cho xuất khẩu Trong số các thủy hải sản khai thác thì cá Tra có sản lượng khai thác lớn nhất Năm 2006, tổng sản lượng khai thác cá Tra ở các tỉnh Đồng Bằng Sông Cửu Long đạt 800 000 tấn và theo dự kiến của Bộ thủy sản đến

2010 tổng sản lượng khai thác của cá Tra sẽ tăng lên 1000 000 tấn Trong chế biến công nghiệp, cá Tra thường được chế biến dạng fillet đông lạnh, lượng phế phẩm thải ra chiếm khoảng 60,69% cá nguyên liệu, trong đó da cá chiếm 5 – 6% Do đó với sản lượng khai thác và chế biến lớn, hàng năm lượng phế liệu thải ra rất lớn cung cấp một nguồn nguyên liệu dồi dào để sản xuất gelatin Việc sử dụng phế liệu da cá để sản xuất gelatin sẽ giúp giải quyết được vấn đề phế thải, góp phần tránh gây ô nhiễm môi trường – một vấn đề lớn của xã hội hiện nay - đồng thời tạo ra sản phẩm có giá trị làm tăng lợi nhuận kinh tế

Đề tài “ Nghiên cứu tối ưu hóa công nghệ sản xuất gelatin từ da cá Tra” được thực hiện nhằm cung cấp các thông số công nghệ tối ưu để tăng hiệu suất sản xuất gelatin và gelatin thành phẩm có chất lượng tốt

Trong quá trình nghiên cứu, do thời gian và kiến thức của chúng tôi còn hạn chế nên không tránh khỏi sai sót Chúng tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Nguyên liệu da cá

1.1.1 Cá Tra [7,1}

Họ cá Tra (Pangasiidae) là một họ có phân bố tương đối rộng ở khu vực từ Tây

Nam Á đến Đông Nam Á, đây là một họ bao gồm một số loài cá có kích thước tương

đối lớn Họ cá Tra hiện có 2 giống: Pangasius (gồm 15 loài) và Helicophagus (có 2

loài đã được phát hiện)

Tại miền Nam Việt Nam có 9 loài thuộc giống Pangasius Trong hệ thống phân

loại, cá Tra được xác định vị trí, sắp xếp như sau :

Lớp Cá Pisces

Bộ Cá nheo Siluriformes

Họ Cá Tra Pangasiidae

Giống Cá Tra Pangasius

Loài Cá Tra Pangasius hypophthalmus

Cá Tra là loại cá ăn tạp, thức ăn thích hợp nhất là các loại đạm có nguồn gốc từ động vật, đặc biệt là các loài cá tạp, nhuyễn thể như ốc, nghêu, hến….Cá Tra rất khỏe, hoạt động mạnh, có sức đề kháng cao, ít bị bệnh và chết, ít thay đổi do tác dụng của môi trường

Hiện nay, cá Tra là đối tượng thủy sản nước ngọt được nuôi chủ lực của các tỉnh Đồng Bằng Sông Cửu Long, năng suất nuôi đạt tới 300 tấn/ha và là một trong những nguồn thủy sản có giá trị xuất khẩu lớn nhất nước ta

Bảng 1.1 : Khối lượng các phần khác nhau của cá Tra [6]

Thành phần (%) Trọng lượng

cá (g)

Fillet không da

Da Thịt bụng Mỡ lá Nội tạng Đầu, xương,

4,4 4,8 4,9 4,9 4,9 5,0 5,1 5,1 5,2 5,5

9,8 9,9 10,1 10,1 10,2 10,4 10,5 10,5 10,9 11,0

1,2 1,3 1,5 2,0 3,1 4,1 4,4 4,9 5,1 5,2

5,1 5,2 5,4 6,0 6,1 6,2 6,2 6,6 6,7 6,7

39,3 38,8 38,3 37,4 36,8 35,3 35,1 34,6 33,6 32,5 Trung bình 38,52 4,98 10,34 3,28 6,02 36,17

1.1.2 Da cá

Da cá rất mỏng gồm 60 – 70% là nước, một ít chất vô cơ, phần còn lại chủ yếu là protein và chất béo Da cá gồm 3 lớp: lớp trong, lớp giữa, lớp ngoài Lớp trong chủ yếu là lipid và thịt vụn còn sót lại sau quá trình lóc fillet Lớp giữa do rất nhiều bó sợi cơ kết thành, có thành phần chủ yếu là collagen Lớp ngoài có nhiều tuyến tiết chất dính làm cho mặt ngoài trơn nhớt chứa chủ yếu là các protein tạp, sắc tố và chất khoáng Tính chất và hàm lượng của chúng có thể ảnh hưởng rất lớn đến qui trình sản xuất và chất lượng của gelatin

Các protein tạp của da cá gồm:

•Albumin: là protein tan được trong nước, dung dịch muối loãng, acid loãng và kiềm loãng Albumin bị kết tủa trong dung dịch (NH4)2SO4 bãohòa và

bị đông tụ khi bị đun nóng Quá trình ngâm nước nguyên liệu sẽ loại được phần lớn protein này

•Globulin: là protein không tan trong nước nhưng tan được trong dung dịch acid loãng, kiềm loãng và dung dịch muối trung tính (8 – 18% NaCl) Dễ đông tụ hơn albumin khi bị đun nóng

•Keratin: là protein tạo chất sừng chủ yếu trong lớp sừng của động vật Thành phần hóa học của keratin không giống nhau Trong mạch phân tử của keratin ngoài liên kết ion và liên kết hydro còn có liên kết disulfit Các liên kết disulfit bị thủy phân trong kiềm nhưng không bị acid thủy phân nên keratin bị phá hủy trong môi trường kiềm và tương đối ổn định trong môi trường acid

•Elastin: là protein có màu vàng, các sợi elastin có tính co giãn và có thể kéo giãn khoảng 5%, không tan trong nước, tương đối ổn định trong môi trường kiềm và acid, bị phân giải bởi enzyme elastase

•Mucin và mucoid: protein trong niêm dịch, có thể hòa tan trong dung dịch kiềm loãng Trong dung dịch acid loãng, mucin bị kết tủa còn mucoid thì không Trong nước chúng đều nở ra và hòa tan trong dung dịch muối loãng nhưng không tan trong trong dung dịch muối bão hòa

Các thành phần tạp khác của da cá:

•Lipid: là thành phần dễ bị oxi hóa nên ảnh hưởng không tốt đến chất chất lượng của gelatin Do đó cần phải rửa nhiều lần với nước để loại lipid trước trích ly

•Khoáng: thành phần này cũng có ảnh hưởng xấu đến chất lượng của gelatin Thành phần khoáng trong da cá chủ yếu là phosphate calci (Ca3(PO4)2) và carbonat calci (CaCO3) Để loại khoáng, cần ngâm acid (thường dùng HCl) trước trích ly

•Sắc tố: ít tan trong nước và acid loãng, có thể tan trong dung dịch kiềm loãng (như dung dịch KOH, NaOH…)

1.2 Collagen

Collagen là protein có nhiều trong da và xương động vật Trong cơ thể người và

đa số các loài động vật, collagen chiếm 30% lượng protein Collagen không có tính đàn hồi nên có tác dụng bảo vệ cơ thể chống lại sự kéo căng Collagen đã được nghiên cứu và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: thực phẩm, y học, dược phẩm, keo dán, phim ảnh…

1.2.1 Cấu tạo :[21, 35, 43, 48, 55, 67, 75]

Phân tử collagen có cấu tạo xoắn ốc bậc ba với sự lặp lại của chuỗi (Gly – X – Y) Trong đó, X là proline còn Y là hydroxyproline Cấu tạo của collagen rất khác biệt với bất cứ protein nào được biết tới, nét nổi bật nhất là trong thành phần collagen có chứa một lượng lớn glycine 33%, proline và hydroxyproline 22%, một lượng nhỏ hydroxylysine 1% (Eastoe, 1967)

Đơn vị cơ bản của collagen là tropocollagen, gồm 3 chuỗi α liên kết nhau tạo thành những sợi nhỏ Mỗi phân tử tropocollagen dài 300 nm, dày 1,5 nm và có khối lượng phân tử 300 000 dalton Các phân tử tropocollagen sẽ liên kết ngang với nhau bằng liên kết cộng hóa trị Nhờ các liên kết ngang này, các phân tử tropocollagen hình thành nên sợi collagen Các sợi collagen rất dài và mảnh, chúng sắp xếp tạo ra mạng collagen

Hình 1.2: Liên kết ngang giữa các phân tử tropocollagen [75]

Hình 1.3: Cấu tạo phân tử collagen [67]

Sự sắp xếp khác nhau của các chuỗi α đã hình thành nên cấu trúc xoắn bậc ba phức tạp khác nhau của các loại collagen Hiện nay có khoảng 27 loại collagen được xác định Mỗi loại có trật tự thống nhất về acid amin trong chuỗi polypeptide ban đầu và đi kèm với những phân tử carbonhydrate khác nhau

Trong các loại collagen được tìm thấy thì collagen loại I và III là nguồn nguyên liệu phổ biến sản xuất gelatin thương mại Trong cơ thể người và động vật có đến 90% collagen là collagen loại I, II, III Collagen loại I là phổ biến nhất và thường ở trong các mô liên kết như da, xương, gân Collagen loại II hầu như tồn tại ở các mô sụn Collagen loại III lại phụ thuộc rất lớn vào độ tuổi của động vật, da heo còn trẻ chứa tới 50%, theo thời gian tỷ lệ này giảm 5-10%

Bảng 1.2: Thành phần chuỗi α của hai loại collagen dùng sản xuất gelatin [43]

Loại Thành phần chuỗi phân tử Phân bố

I

III

{2[α 1(I)],[α 2(I)]}

3[α 1(III)]

Da, xương, sụn…

Da (không có trong xương) Sự phân bố thành phần acid amin trong các chuỗi α khác nhau sẽ tạo ra gelatin có những tính chất khác nhau

Bảng 1.3: Sự phân bố acid amin của 3 chuỗi α trong collagen loại I và loại III [43]

Thành phần Thành phần theo tỉ lệ/1000

α1 (loạiI) α2 (loạiI) α1 (loạiIII) 3– hydroxyproline

1.2.2.1 Phản ứng với acid và kiềm

Trên mạch collagen có các gốc amin và carboxyl nên collagen có tính chất lưỡng tính, có thể tác dụng với acid lẫn kiềm

Trong môi trường acid, các ion của acid sẽ tác dụng với các gốc amin, điện tích trên carboxyl bị ức chế (hình thành acid yếu có độ ion hóa thấp) Trái lại gốc amin bị ion hóa tạo NH3+

Môi trường H+

Môi trường OH-

NH3+…Cl- COOH COOH

NH3+…Cl-

NH3+…Cl- COOH COOH NH3+…Cl-

Trong điều kiện có nước, nước có thể tác dụng với nhóm gốc có mang điện trong kết cấu protide và những ion Na+, Cl- hình thành tác dụng hợp nước phụ của collagen, khiến collagen trong môi trường acid, kiềm có độ hút nước cao hơn trong nước nguyên chất

Dưới tác dụng của các acid và kiềm đủ mạnh sẽ làm cho collagen bị biến đổi, đây là một biến đổi quan trọng trong quá trình chuyển hóa collagen thành gelatin Khi đó acid và kiềm sẽ cắt đứt các liên kết giữa – NH3+ COO- làm đứt mạch peptide trong mạch chính, phá vỡ các liên kết hydro giữa các gốc – CO…NH – của mạch xung quanh, phân hủy acid amin trong mạch giải phóng ammoniac Khi cấu trúc collagen bị biến đổi thì pI của collagen hạ xuống thấp

Tác dụng thủy phân của acid và kiềm tăng khi nhiệt độ môi trường tăng Mức độ thủy phân của acid và kiềm đối với collagen được đánh giá thông qua độ bền gel của gelatin - sản phẩm thủy phân của collagen

Do đó trong quá trình trích ly gelatin cần thiết phải khống chế nhiệt độ và thời gian thích hợp để đảm bảo chất lượng của gelatin thành phẩm

1.2.2.2 Phản ứng với nước

Collagen không hòa tan trong nước ở nhiệt độ thường mà chỉ hút nước để nở ra, cứ 100g collagen khô có thể hút được khoảng 200g nước, trong đó khoảng 70g là nước liên kết và 20g là liên kết vững chắc Khi tác dụng với nước, độ dày của mạch sẽ tăng lên 25% và độ dài tăng lên không đáng kể, tổng thể tích của phân tử collagen tăng lên

2 – 3 lần

Do nước phân cực tác dụng lên liên kết hydro trong collagen làm giảm tính vững chắc của sợi gelatin từ 3 – 4 lần Khi nhiệt độ tăng lên cao, tính hoạt động của mạch polypeptide tăng mạnh, làm cho mạch bị yếu và bắt đầu đứt thành những mạch polypeptide tương đối nhỏ Khi nhiệt độ tăng lên trong khoảng 60 – 650C collagen hút nước bị phân giải Nhiệt độ phân giải của collagen trong nguyên liệu chưa xử lý tương

COO-…Na+ NH2 COO-…Na+ NH2

NH2 COO-…Na+ NH2 COO-…Na+

đối cao Khi nguyên liệu đã khử hết chất khoáng, thì nhiệt độ phân giải sẽ giảm xuống

1.3 Gelatin [62, 63]

1.3.1 Lịch sử phát triển của ngành sản xuất gelatin

Thuật ngữ gelatin có nguồn gốc từ Latin là từ “gelatus”, nghĩa là màng hay chất làm đông Theo các nghiên cứu cho thấy, từ hơn 2000 năm trước đây con người đã biết sử dụng mô liên kết và các sản phẩm của nó trong chế biến thực phẩm để tạo ra các sản phẩm dạng gel

Năm 1962, một người Pháp tên là Papin đã tạo ra được một hỗn hợp giống gelly từ xương

Năm 1700, thuật ngữ gelatin được sử dụng phổ biến Đến năm 1754, bài báo đầu tiên trong lĩnh vực chất dính được đăng tải ở Anh về việc sản xuất chất hồ dán tự nhiên với thành phần cơ bản là gelatin và một vài chất khác của một thợ làm đồ gỗ Năm 1850, công nghiệp sản xuất gelatin xuất hiện ở Mỹ với nguồn nguyên liệu chính lúc này là da chưa thuộc và xương từ heo và bò Sau đó, nhiều nghiên cứu về gelatin được tiến hành đã làm tăng thêm các ứng dụng và ổn định tính chất của gelatin

Năm 1930, ngành sản xuất gelatin ở Châu Âu mới bắt đầu, nhưng sau đó không lâu Châu Âu lại trở thành khu vực sản xuất gelatin quan trọng nhất thế giới

Năm1973, WHO đã đưa ra tiêu chuẩn nhận biết và độ tinh sạch của gelatin thực phẩm và xem gelatin như một loại thực phẩm chứ không phải là phụ gia

Năm 1974, công nghiệp sản xuất gelatin phát triển vô cùng lớn mạnh dẫn đến yêu cầu thành lập “Hiệp hội gelatin của Châu Âu” (GME) để đại diện cho quyền lợi của các nhà sản xuất cũng như người tiêu dùng gelatin

Tuy nhiên, gelatin sản xuất từ da heo không được chấp nhận ở các nước Hồi giáo, trong khi đó các nước Ấn Độ giáo thì gelatin sản xuất từ bò chỉ được chấp nhận khi đã được làm theo những đòi hỏi của tôn giáo này Ngoài ra, dịch bệnh bò điên đã làm sự tiêu thụ thịt bò giảm do đó nguồn nguyên liệu sản xuất gelatin từ bò trở giảm đi một cách đáng kể Vì những lí do trên, gelatin có nguồn gốc từ động vật có vú gặp nhiều khó khăn dù gelatin có chất lượng tốt Trong thời kỳ này, xu hướng tìm kiếm nguồn nguyên liệu mới để sản xuất trở nên cấp bách và nguồn nguyên liệu mới được

chú ý khai thác nhiều nhất là phế liệu cá Đối với ngành chế biến cá, sau khi lóc fillet, lượng phế thải chiếm 75% tổng khối lượng cá và 30% trong số đó là da và xương Da và xương cá có chứa nhiều collagen, có thể đem sản xuất gelatin, từ đó giải quyết được vấn đề phế thải và đồng thời tạo ra sản phẩm có giá trị

Trong những năm gần đây đã có nhiều tài liệu nghiên cứu về gelatin da cá và so sánh gelatin da cá với gelatin từ nguồn nguyên liệu truyền thống Tuy nhiên, các nghiên cứu trên chỉ là các nghiên cứu ban đầu trong quá trình trích ly gelatin từ các loại khác nhau cũng như những ứng dụng của chúng trong thực phẩm

1.3.2 Định nghĩa gelatin

Hiện nay có nhiều định nghĩa khác nhau về gelatin:

Năm 1967, Ramachandran định nghĩa gelatin là một polypeptide có khối lượng phân tử lớn có nguồn gốc từ collagen - một thành phần protein chính của mô liên kết -có nhiều trong xương, da và nội tạng

Năm 1987, Rose định nghĩa gelatin là từ để chỉ những hợp chất protein có nguồn gốc từ collagen

Năm 1998, Bailey và Paul định nghĩa gelatin về căn bản là protein tinh sạch dùng trong thực phẩm được thu nhận từ collagen đã bị thoái hóa do nhiệt, có cấu trúc như protein động vật

Năm 1990, tổ chức Y khoa của Mỹ (USP – United States Pharmacopeia) định nghĩa gelatin là một sản phẩm của quá trình phân giải collagen có nguồn gốc từ da, xương của động vật

1.3.3 Cấu tạo của gelatin

1.3.3.1 Thành phần hóa học [63, 62]

Thành phần hóa học cơ bản của gelatin bao gồm: 85 – 90% protein, 0,5 – 2% muối khoáng, 8 – 13% nước

Gelatin có chứa gần đầy đủ các acid amin, ngoại trừ tryptophan và cysteine, cystine đôi khi chỉ tìm thấy ở dạng vết

Hình 1.4: Tỉ lệ thành phần các acid amin cơ bản của gelatin [62]

Trong gelatin không chứa cholesterol và purines Gelatin chứa nhiều glycine và proline, hàm lượng của 2 acid amin này trong gelatin cao gấp 10 -20 lần so với các protein khác Hai acid amin này có vai trò quan trọng trong việc hình thành nên các tế bào ở mô liên kết

Gelatin là một protein không hoàn hảo (gelatin có chứa 9 trong số 10 acid amin cần thiết cho cơ thể), gelatin có chứa nhiều acid amin không cần thiết như glycine và proline (hai acid amin này có thể được cơ thể tổng hợp) nhưng lại thiếu các acid amin cần thiết như tryptophan Do đó, gelatin có giá trị dinh dưỡng thấp hơn so với protein sữa và trứng

Tỉ lệ giữa các acid amin trong gelatin có thể thay đổi, tỉ lệ này phụ thuộc vào nguồng nguyên liệu và phương pháp sản xuất

Bảng 1.4: Thành phần acid amin thu được khi thủy phân 100g mẫu gelatin

Acid amin Khối lượng (gam) Glycine

2 – 3

- 2,9 – 4,2 2,2 – 4,4 0,2 – 1

- vết

4 – 5

8 – 9 0,7 – 1

6 – 7

11 – 12 0,8 – 1,2

1.3.3.2 Cấu trúc phân tử gelatin

Cấu trúc phân tử gelatin gồm có 18 amino acid khác nhau liên kết với nhau theo

một trật tự xác định, tuần hoàn, tạo nên chuỗi polypeptide có khoảng 1000 acid amin,

hình thành nên cấu trúc bậc 1 Các chuỗi peptide có chiều dài khác nhau phụ thuộc

nguồn nguyên liệu và phương pháp sản xuất Mỗi chuỗi có một đầu là nhóm amino,

còn một đầu là nhóm carboxyl

Gelatin có cấu trúc thường gặp là Gly – X – Y (với X chủ yếu là nhóm proline

còn Y chủ yếu là nhóm hydroxyproline)

Hình 1.5: Cấu trúc Gly – X – Y thường gặp của gelatin [64]

Gelatin chứa nhiều nhóm glycine, proline và 4-hydroxyproline Cấu trúc cơ bản của chuỗi gelatin là: – Ala – Gly – Pro – Arg – Gly – Glu – Hyp – Gly – Pro

Hình 1.6: Cấu trúc cơ bản của gelatin.[75]

Cứ 3 chuỗi polypeptide xoắn lại theo hình xoắn ốc tạo nên cấu trúc bậc 2 Ở cấu trúc bậc 3, chuỗi xoắn đó tự xoắn quanh nó, tạo nên cấu trúc phân tử dạng dây thừng, gọi là proto fibril

Trong phân tử gelatin có một số nhóm tích điện: carboxyl, imidazole, amino, guanidino Tỷ lệ các nhóm này ảnh hưởng đến pH và pI của gelatin Ngoài ra còn các nhóm không mang điện tích là các nhóm hydroxyl (serine, threonine, hydroxyproline, hydroxylysine, tyrosine) và các nhóm peptide (-CO-NH-) quy định khả năng tạo liên kết hydro, quy định cấu trúc phân tử

Hình 1.7 : Cấu trúc không gian của chuỗi xoắn ốc [66]

1.3.3.3 Sự phân bố khối lượng phân tử của gelatin [21, 43,47, 48, 55]

Sự phân bố khối lượng có thể được xác định bằng phép lọc sắc kí gel, điện di gel polyacrylamide và sắc ký lỏng cao áp

Tùy thuộc vào từng loại nguyên liệu và phương pháp xử lý nguyên liệu và phương pháp trích ly mà gelatin thành phẩm sẽ chứa các phân đoạn phân tử có khối lượng khác nhau Việc xác định những phân đoạn này sẽ giúp hiểu rõ hơn về độ mạnh của gel, độ nhớt cũng như việc đảm bảo chất lượng gelatin được sử dụng trong các ứng

dụng khác nhau Phân đoạn α , β và các phần có khối lượng phân tử lớn hơn sẽ góp

phần nâng cao độ nhớt, độ mạnh của gel Do đó gelatin có độ Bloom cao thường chứa một tỉ lệ lớn các phân tử có kích thước giống nhau dưới dạng các chuỗi α và β (khoảng

30 – 50%)

Bảng 1.5: Các phân đoạn phân tử chính trong gelatin [43]

Phân đoạn phân tử Đặc điểm

Q Khối lượng phân tử rất lớn 15 – 20x106 dalton, dạng nhánh có

khả năng tạo gel rất tốt

1 – 4 Các chuỗi oligomer của chuỗi α ( thường 5 – 8 chuỗi)

X Oligomer của 4 chuỗi α

γ - X 1 – 4 Q

1 65 20 9 28 5 11 4 12 6 5

2 57 28 4 30 6 13 3 8 4 3

3 55 35 4 10 12 11 6 11 7 4 Chú thích:

+ 1 : Ossein được xử lí kiềm

+ 2 : Da sống được xử lí kiềm

+ 3 : Da heo được xử lí acid

1.3.4 Phân loại gelatin [21, 28, 31, 41, 43, 48, 58, 63]

Gelatin có thể được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau với nhiều phương pháp sản xuất khác nhau Do đó, khóa phân loại gelatin rất đa dạng, trong đó có 2 khóa phân loại cơ bản

1.3.4.1 Phân loại gelatin theo nguyên liệu sản xuất

Gelatin là sản phẩm từ collagen bị thoái hóa do nhiệt Do đó các nguyên liệu có chứa collagen với hàm lượng lớn đều có thể sử dụng để sản xuất gelatin Trong thực tế, gelatin thường được sản xuất từ 2 nguồn nguyên liệu là động vật có vú và cá Dựa vào nguồn gốc nguyên liệu gelatin được chia thành 2 loại:

1.3.4.1.1 Gelatin có nguồn gốc từ động vật có vú ( bò, heo)

Đây là nguồn nguyên liệu đầu tiên để sản xuất gelatin và là nguồn nguyên liệu được sử dụng nhiều nhất để sản xuất gelatin Trong thời gian gần đây, bệnh dịch bò điên đã làm giảm lượng nguyên liệu này để sản xuất gelatin

Gelatin sản xuất từ collagen của xương và da của động vật có vú được đánh giá là có chất lượng tốt nhất so với gelatin có nguồn gốc khác

1.3.4.1.2 Gelatin có nguồn gốc từ cá

Do những vấn đề về tôn giáo và bệnh bò điên mà gelatin có nguồn gốc từ động vật bị hạn chế sử dụng Trong những năm gần đây, công nghiệp chế biến cá rất phát triển và phế liệu cá trở thành một nguồn nguyên liệu tiềm năng để sản xuất gelatin Gelatin sản xuất từ cá có chất lượng không ổn định Như ta đã biết, chất lượng gelatin có phụ thuộc rất nhiều vào nguồn nguyên liệu mà các loại cá khác nhau thì có sự khác nhau rất lớn về thành phần acid amin

So với gelatin từ động vật có vú thì gelatin từ cá có chất lượng thấp hơn do cấu tạo da cá có chứa ít imino acid đặc biệt là hydroxyproline và proline hơn da và xương của động vật có vú Ngoài ra, gelatin từ cá có màu đậm hơn so với gelatin từ động vật có vú và gelatin từ cá có mùi tanh khó chịu

Do những điểm yếu trên mà hiện nay ứng dụng gelatin từ cá còn thấp

Bảng 1.6: So sánh thành phần acid amin trong gelatin cá với gelatin động vật [28]

Acid amin Tỉ lệ /1000 acid amin

Gelatin cá Gelatin động vật có vú Ala

Arg Asp Cys Glu Gly His Hyl Hyp Ile Leu Lys Met Phe Pro Ser Thr Try Tyr

Val 18 22

Hình 1.7: Tỷ lệ nguyên liệu dùng để sản xuất gelatin năm 2006 [63]

Với : Da heo :144300 tấn

Da bò : 89500 tấn

Xương : 76300 tấn

1.3.4.2 Phân loại gelatin theo phương pháp sản xuất

Dựa vào phương pháp xử lý collagen trong sản xuất gelatin người ta chia gelatin thành 2 loại chính:

1.3.4.2.1 Gelatin loại A

Gelatin loại A thu được khi quá trình xử lý nguyên liệu dùng acid Gelatin sản xuất bằng phương pháp này sẽ có các phân đoạn phân tử có khối lượng thấp hơn gelatin loại B do đó sẽ có độ nhớt thấp hơn và độ bền gel thấp hơn khi ở cùng một điều kiện tạo gel Nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất gelatin này là da heo, xương

1.3.4.2.2 Gelatin loại B

Gelatin thu được khi quá trình xử lý nguyên liệu dùng kiềm Nguồn nguyên liệu để sản xuất gelatin loại B là da sống, xương

1.3.4.3 Một số loại gelatin khác

1.3.4.3.1.Gelatin tan trong nước lạnh

Loại khác : 4900 tấn

Các loại gelatin thông thường được sản xuất bằng cách tạo gel sau đó đem sấy nên gelatin thành phẩm ở dạng hạt thô có cấu trúc gel chặt chẽ Khi muốn hòa tan tạo dung dịch gelatin ta phải gia nhiệt để tạo điều kiện cho nước xâm nhập vào hạt gel vì khi gia nhiệt các liên kết trong hạt gelatin sẽ yếu đi và nước sẽ dễ dàng xâm nhập vào hạt gelatin Để bỏ qua giai đoạn gia nhiệt giúp việc hòa tan gelatin nhanh và dễ dàng, người ta đã tạo ra gelatin có khả năng tan trong nước lạnh Đây là loại gelatin được tạo

ra khi sấy mà không qua quá trình tạo gel, do đó mà sản phẩm có cấu trúc vô định hình Cấu trúc này cho phép gelatin trương nở rất nhanh và rất mạnh trong nước lạnh Mạng phân tử ba chiều của nó liên kết lỏng lẻo, sự sắp xếp của các phân tử là hoàn toàn ngẫu nhiên, lực liên kết giữa các phân tử cũng như lực liên kết nội phân tử rất yếu nên nước có thể dễ dàng xâm nhập vào cấu trúc phân tử với một lượng lớn nhất có thể và tạo thành cấu trúc tương tự gel Loại gelatin này hút ẩm mạnh, trong quá trình hòa tan gelatin rất dễ bị vón cục, khó tạo gel khi nồng độ thấp và cấu trúc khối gel không chắc bằng gel tạo thành như cách thông thường Gelatin loại này thường được dùng để làm chất ổn định trong một số thực phẩm như bánh gatô, các món tráng miệng

1.3.4.3.2 Gelatin thủy phân

Gelatin loại này được tạo ra do quá trình phân giải collagen sâu sắc Gelatin thành phẩm có khối lượng phân tử thấp khoảng 3000 – 20000, có khả năng hòa tan trong nước lạnh và không có khả năng tạo gel Dung dịch gelatin có độ nhớt thấp 20 –

50 mPas ở nồng độ 35% tại 250C Gelatin loại này thường được sản xuất bằng cách sử dụng enzym thực hiện quá trình thủy phân, sau đó tiệt trùng, cô đặc và cuối cùng là sấy phun

Điểm đặc biệt của gelatin loại này là không có vị đắng như các sản phẩm thủy phân từ các protein khác Do đó, gelatin thủy phân được sử dụng cho nhiều sản phẩm thực phẩm như chất tạo cấu trúc cho các sản phẩm sữa, chất tạo nhũ trong công nghệ chế biến các sản phẩm từ thịt, là nguồn protein trong thực phẩm ăn kiêng, chất làm trong cho một số loại thức uống, là chất mang trong quá trình tạo hạt mà không làm biến đổi các tính chất vật lí, hóa học của hạt, chất tạo bọt…

1.3.4.3.3 Gelatin ester hóa

Gelatin được ester hoá bởi các acid béo, điều này giúp cải thiện khả năng tạo nhũ của gelatin đồng thời làm tăng khả năng ứng dụng của các acid béo mà bản thân

một mình acid béo đó không thể bổ sung trực tiếp vào thực phẩm do không tan được trong nước, dễ bị oxy hóa…

1.3.5 Tính chất của gelatin [

1.3.5.1 Tính chất vật lý

Gelatin là chất rắn dạng miếng, vảy, bột hoặc hạt, không mùi, không vị, trong suốt, có màu từ trắng đến vàng nhạt, chứa 9-12% ẩm và có tỉ trọng riêng từ 1,3-1,4 Tuy thành phần acid amin trong gelatin và trong collagen rất giống nhau nhưng gelatin và collagen lại có các tính chất rất khác nhau Trong nước nóng (< 500C), gelatin sẽ hút nước, trương nở và tan tạo dung dịch nhớt, còn collagen chỉ bị co rút lại Lượng nước gelatin hấp thụ có thể cao gấp 5 – 10 lần khối lượng của gelatin ban đầu Trong dung dịch acid và kiềm, collagen trương nở nhưng không hòa tan, còn gelatin thì hòa tan rất nhanh

Ngoài ra, gelatin có khả năng tan trong các polyol như glycerin, propylen glycol, sorbitol, manitol nhưng không tan trong cồn, aceton, CCl4, benzen, ether và các dung môi hữu cơ khác

Khi tan trong nước nóng, dung dịch là một hỗn hợp của gelatin và gelatose Tỷ lệ giữa gelatin và gelatose ảnh hưởng đến chất lượng của keo, gelatose càng nhiều thì chất lượng càng thấp

Gelatin sẽ bị kết tủa ở nồng độ cao khi trong dung dịch có sự hiện diện của các muối phosphat, citrat, sulfat ở nồng độ thấp

1.3.5.2 Tính chất hóa lý [9, 10, 11, 18, 21, 23, 24, 25, 26, 31, 33, 40, 54, 56, 57] 1.3.5.2.1 Độ nhớt

Độ nhớt là một trong những tính chất quan trọng để đánh giá chất lượng của gelatin thành phẩm Độ nhớt của gelatin thương mại thường 2 – 7cP, tối đa 13 cP Trong dung dịch gelatin giống hệt nhau về khả năng tạo gel, thì độ nhớt của gelatin loại B thường cao hơn 30-50% độ nhớt của gelatin loại A

*Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt của gelatin:

+ Nguồn nguyên liệu: độ nhớt của dung dịch gelatin phụ thuộc rất nhiều vào sự phân bố khối lượng phân tử và thành phần acid amin trong gelatin đó Trong đó, sự

phân bố khối lượng phân tử có ảnh hưởng đến độ nhớt nhiều nhất Các nguồn nguyên liệu khác nhau sẽ cung cấp các loại collagen khác nhau, trong quá trình phân giải sẽ tạo ra các dung dịch gelatin có sự phân bố khối lượng phân tử khác nhau và thành phần acid amin khác nhau

+ Nồng độ dung dịch: Độ nhớt của dung dịch gelatin tăng tỉ lệ thuận với sự tăng nồng độ gelatin Khi nồng độ của dung dịch gelatin tăng thì tương tác thủy động học giữa các phân tử gelatin tăng làm cho tốc độ chảy của dung dịch giảm do đó độ nhớt của dung dịch tăng

+ Dung môi: dung môi có ảnh hưởng lớn đến các phân tử gelatin khi dung dịch có nồng độ thấp, ảnh hưởng này giảm khi nồng độ dung dịch tăng lên

+ pH dung dịch: độ nhớt dịch trích đạt giá trị thấp nhất khi pH = 6 – 8, pH có ảnh hưởng lớn nhất đến độ nhớt khi pH = 3 hoặc pH = 10,5 và có ảnh hưởng ít nhất đến độ nhớt khi ở điểm đẳng điện [12] Tại pI, dung dịch có nồng độ càng cao thì độ nhớt càng tăng mạnh

+ Nhiệt độ: Dung dịch có nhiệt độ càng cao thì độ nhớt dung dịch càng thấp Trên 400C thì độ nhớt sẽ giảm tỉ lệ mũ với độ tăng nhiệt độ

Hình: Ảnh hưởng của nhiệt độ và nguồn nguyên liệu đến độ nhớt của dung dịch gelatin (1: gelatin từ xương heo, 2: gelatin từ da heo, 3: gelatin từ da cá cod, 4: gelatin từ da cá megrim, 5: gelatin từ da bò có khối lượng phân tử thấp)

Hình: Ảnh hưởng của nhiệt độ và nồng độ đến độ nhớt của dung dịch gelatin từ da cá cod (1: nồng độ 10%, 2: nồng độ 7%, 3: nồng độ 5%, 4: nồng độ 3)

1.3.5.2.2.Điểm đẳng điện

Gelatin có thể hoạt động như một acid hoặc một kiềm tùy thuộc vào pH Trong dung dịch acid gelatin tích điện dương và trong dung dịch kiềm nó tích điện âm Điểm trung gian ở đó sự tích điện bằng 0 gọi là pI hoặc điểm đẳng điện

Sự thay đổi trong tỷ lệ của các nhóm carboxyl, amin có liên quan đến sự khác nhau trong điểm đẳng điện của gelatin Ởû collagen, 35% nhóm acid nằm ở dạng amid

Do đó, collagen là một protein cơ bản có điểm đẳng điện là 9,4 Trong suốt quá trình điều chế gelatin, quá trình xử lí bằng acid hoặc kiềm sẽ thủy phân nhóm amid trong phạm vi lớn hoặc nhỏ hơn Do đó, điểm đẳng điện của gelatin có thể thay đổi từ 9,4 (không thay đổi nhóm amid) đến 4,8 (90 – 95% các nhóm acid carboxylic tự do) Điểm đẳng điện có ảnh hưởng đến độ nhớt và độ bền gel từ đó ảnh hưởng đến khả năng ứng dụng của gelatin

* Các yếu tố ảnh hưởng đến điểm đẳng điện

Điểm đẳng điện của dung dịch gelatin chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như nguồn nguyên liệu, phương pháp sản xuất…

+ Nguồn nguyên liệu:

Gelatin sản xuất từ các nguồn nguyên liệu khác nhau sẽ có thành phần acid amin khác nhau do đó dịch trích sẽ có pI khác nhau (gelatin có nguồn gốc từ ossein thì pI nằm trong khoảng 6,5 – 7,5 còn gelatin từ da heo thì pI nằm trong khoảng 7,5 – 9,0) + Phương pháp sản xuất:

Gelatin được điều chế bằng phương pháp acid có điểm đẳng điện cao 6,5 – 9 vì điều kiện thao tác công nghệ duy trì được giá trị gần với điểm đẳng điện của collagen Gelatin được điều chế bằng phương pháp kiềm qua quá trình xử lí bằng kiềm dài hơn, cắt đứt hầu hết các liên kết và chỉ có một phần nhỏ các nhóm amin còn lại nên gelatin này có pH đẳng điện acid và thường nằm trong khoảng 4,8 – 5,2

1.3.5.2.3 Khả năng tạo gel

Khả năng tạo gel là một trong những tính chất chức năng quan trọng nhất của gelatin, là một trong những yếu tố quan trọng để đánh giá chất lượng gelatin và quyết định khả năng ứng dụng của gelatin Độ bền của khối gel được đặc trưng bởi độ Bloom Theo định nghĩa, độ bloom là khối lượng tính bằng gam cần thiết tác dụng lên bề mặt gel tạo bởi pitông có đường kính 13 mm để khối gel lún xuống 4mm Khối gel có hàm lượng gelatin là 6,67%, được tạo gel ở 100C trong 16 ÷ 18h

Gelatin trên thị trường có độ Bloom trong khoảng 150 ÷ 300 Bloom Gelatin có chất lượng thấp sẽ có độ Bloom <150, gelatin có chất lượng trung bình thì Bloom từ

150 – 220, còn gelatin có chất lượng cao sẽ có Bloom từ 220 – 300

* Cơ chế tạo gel

Cơ chế tạo gel gồm 2 giai đoạn:

+ Giai đoạn 1: hấp thụ và trương nở trong nước để tạo dung dịch, giai đoạn xảy

ra khi gelatin được cho vào nước và gia nhiệt ở 45 – 600C

+ Giai đoạn 2: tạo liên kết ngang nối các phân tử gelatin lại với nhau thành không gian 3 chiều, giai đoạn này xảy ra khi dung dịch gelatin được làm nguội ở 8 – 100C Quá trình chuyển đổi giữa dạng dung dịch và dạng gel có tính thuận nghịch Trong quá trình tạo gel, imino acid của các chuỗi polypeptid tạo một hình thể xoắn ốc khi làm nguội và các vòng xoắn này được ổn định nhờ các cầu hydro giữa các nhóm hydroxyl của acid amin và phân tử nước, tạo gel ba chiều Một đặc điểm quan trọng của gel gelatin là có khả năng tan chảy ở nhiệt độ cơ thể tạo nên cảm giác tan trong miệng Đây là một tính chất đặc biệt của gelatin so với các chất có khả năng tạo gel

khác và tính chất giúp gelatin được ứng dụng trong nhiều quá trình chế biến thực phẩm

* Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tạo gel và độ bền gel

+ Nhiệt độ tạo gel: Nhiệt độ càng cao thì khả năng khuếch tán của nước càng mạnh Ở nhiệt độ < 200C, dù hàm lượng gelatin rất thấp vẫn có khả năng tạo gel Ở nhiệt độ trong khoảng 20 ÷ 300C, dung dịch gelatin vừa tồn tại dạng gel, vừa dạng dịch nhớt, vừa dịch lỏng, phụ thuộc nhiệt độ và hàm lượng gelatin Ở nhiệt độ > 350C, phân tử gelatin rời rạc, dù hàm lượng gelatin cao chúng vẫn không liên kết với nhau, không tạo gel bền mà chỉ tăng độ nhớt Nhiệt độ tạo gel càng thấp thì gel có độ bền gel càng lớn

+ Thời gian tạo gel: Thời gian tạo gel còn được gọi là thời gian trưởng thành Thời gian tạo gel càng dài thì các liên kết ngang hình thành càng nhiều và càng ổn định nên độ bền gel sẽ càng lớn

+ Nồng độ dung dịch tạo gel: Trong dung dịch gelatin, nồng độ gelatin càng cao thì gel tạo thành có độ bền gel càng lớn

+ pH dung dịch tạo gel: Gelatin có giá trị pH càng gần điểm đẳng điện thì khả năng khuếch tán nước vào càng cao Tại điểm đẳng điện thì khả năng khuếch tán nước là cao nhất, gelatin trương nở nhanh nhất và khối gel tạo thành có độ bền gel cao nhất Nguyên nhân là do ở pI, các protein trung hòa về điện, các mạch gelatin sẽ dễ tiến lại gần nhau tạo liên kết với nhau

Hình: Ảnh hưởng của nồng độ đến độ bền gel của các loại gelatin khác nhau

Hình: Ảnh hưởng thời gian tạo gel đến độ bền gel của các loại gelatin khác nhau

Hình: Ảnh hưởng của nhiệt độ tạo gel đến độ bền gel của các loại gelatin khác nhau

Hình: Ảnh hưởng của pH đến độ bền gel của các loại gelatin khác nhau

+ Các thành phần khác trong dung dịch tạo gel: Trong các sản phẩm thực phẩm, gelatin thường được dùng phối hợp với các hợp chất khác để làm thay đổi khả năng tạo gel và độ bền gel của khối gel tạo thành theo yêu cầu của sản phẩm

Trong dung dịch đường: Một nghiên cứu về các tính chất lưu biến học của hỗn hợp gelatin - đường người ta nhận thấy rằng khi nồng độ đường trong hỗn hợp < 30% thì hỗn hợp có khả năng tạo gel yếu và khi nồng độ đường trong hỗn hợp tăng lên

>30% thì hỗn hợp có tính chất của một chất lỏng

Trong dung dịch có pectin thì gel tạo thành mềm và ít dai hơn

Trong dung dịch có agar thì gelatin tạo gel tốt hơn vì agar đóng vai trò là chất hỗ trợ, chất nền cho quá trình hòa tan gelatin Nhưng khi nồng độ gelatin quá cao (cao hơn 2,5%) thì vai trò này bị đảo ngược lại Khối gel tạo thành từ hỗn hợp agar – gelatin cứng và bền hơn so với gel tạo thành từ gelatin nhưng lại mềm hơn gel tạo từ agar

1.3.5.2.4 Khả năng tạo màng của gelatin với các phụ gia khác

Ngoài khả năng tạo gel, khả năng tạo màng cũng là tính chất giúp gelatin được ứng dụng rộng rãi trong công thực phẩm và dược phẩm Gelatin thường được dùng chung với các chất tạo màng khác để hỗ trợ các đặc tính của nhau và hạ giá thành sản phẩm

+ Hỗn hợp tinh bột – gelatin: Trong hỗn hợp này gelatin có tác dụng cải thiện tính chất của màng và làm màng có tính chất như màng plastic Nồng độ gelatin trong hỗn hợp càng cao thì càng làm tăng khả năng kéo giãn của màng Tuy nhiên, tại pH của hỗn hợp bằng pI của gelatin thì không xảy ra phản ứng giữa gelatin và tinh bột, màng sẽ có tính kéo giãn kém Khi pH hỗn hợp càng xa pI của gelatin thì liên kết giữa tinh bột và gelatin được hình thành làm cho khả năng kéo giãn của màng tăng lên + Hỗn hợp chitosan – gelatin: Trong hỗn hợp gelatin có tác dụng làm tăng hiệu quả tạo màng của chitosan trong điều kiện pH thấp và nhiệt độ cao Màng tạo ra từ hỗn hợp này có khả năng tan trong nước ngay ở nhiệt độ thường

+ Hỗn hợp gellan – gelatin: Gel gellan có đặc tính cứng và giòn phụ thuộc chủ yếu vào pH và nồng độ, còn gel gelatin lại mềm, đàn hồi và phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ Đặc tính cơ học của màng gellan/gelatin phụ thuộc vào tỉ lệ gellan : gelatin Khi cho gellan vào dung dịch gelatin sẽ làm tăng khả năng liên kết mạng với nhau

Hàm lượng gelatin trong hỗn hợp tăng sẽ làm khả năng tan trong nước, tỉ lệ căng phồng và độ bền kéo của màng giảm nhưng sẽ làm cho độ giãn do kéo tăng

1.3.6 Phương pháp sản xuất gelatin

Theo Johntson – Banks, 1990, quá trình sản xuất gelatin gồm 5 bước cơ bản:

Trong quá trình rửa nguyên liệu ta có thể bổ sung thêm vào nước rửa chất chống oxi hóa với nồng độ 50 – 1000ppm để bảo vệ nguyên liệu khỏi sự xâm nhập của vi sinh vật làm giảm chất lượng của nguyên liệu Chất chống oxi hóa thường dùng Natri hypochlorite, hợp chất hydrogen peroxide

Quá trình xử lý hóa chất sẽ tạo hiệu quả cho việc bẻ gãy các liên kết ngang cộng hóa trị của collagen, giúp chuyển đổi collagen thành dạng thích hợp cho quá trình trích

li Ngoài ra, quá trình này còn giúp loại bỏ các hợp chất hữu cơ tạp như máu, đường, chất nhầy… trong nguyên liệu

Hiệu quả xử lý collagen liên quan đến tỉ lệ liên kết ngang có trong nguyên liệu Có 4 phương pháp xử lý nguyên liệu:

• Phương pháp acid

• Phương pháp kiềm

• Phương pháp áp suất cao

• Phương pháp enzyme

1.3.6.1.1 Phương pháp acid

Hiện nay, phương pháp này được sử dụng phổ biến để sản xuất gelatin từ cá Phương pháp này thích hợp cho các loại collagen của động vật còn trẻ, chưa trưởng thành và có ít liên kết ngang Các acid sử dụng bao gồm cả acid vô cơ (acid chlohydric, acid sulfuric) và acid hữu cơ (acid acetic, acid lactic)

Ưu điểm của quá trình xử lý acid là thời gian xử lý nhanh, gelatin có độ mạnh gel cao hơn và màu sáng hơn so với phương pháp kiềm vì acid chỉ có tác dụng làm yếu các liên kết trong mạch collagen làm cho quá trình trích ly xảy ra nhanh và dễ dàng mà không có tác dụng loại tạp như phương pháp kiềm

Nhược điểm của phương pháp xử lý nguyên liệu trước trích li bằng acid là sẽ làm tổn thất một lượng collagen dù dùng loại acid yếu với nồng độ thấp ở nhiệt độ thấp để xử lý Do đó hàm lượng protein tổng trong dung dịch xử lý bằng phương pháp acid thấp hơn phương pháp kiềm, nhưng hàm lượng hydroxyproline của protein rất cao Điều này có nghĩa là hầu hết các protein trong dịch sau xử lý bằng acid là collagen

Tiến hành: Nguyên liệu sau khi xử lý sạch bằng nước lạnh và nước ấm nhiều lần được đem ngâm vào dung dịch acid với nồng độ không quá 5% Giá trị pH trong khoảng 3,5 – 4,5, nhiệt độ tối thích là 150C Quá trình xử lý bằng acid sẽ được ngừng lại sau khi nguyên liệu đã được acid hóa hoàn toàn (nguyên liệu đã trương nở tối đa) Sau đó, lượng acid dư được tháo bỏ, rửa nguyên liệu lại bằng nước lạnh và trích li gelatin bằng nước ấm ở khoảng nhiệt độ 450 – 500C

1.3.6.1.2 Phương pháp kiềm

Quá trình xử lý bằng kiềm thường dùng loại nguyên liệu có nhiều liên kết ngang Quá trình này giúp làm phá vỡ các liên kết ngang trong collagen và hình thành nên collagen tan được trong nước, đồng thời loại bỏ tạp chất như: các protein tạp và các sắc tố trong da

Ưu điểm của phương pháp này là gelatin tạo thành có khối lượng phân tử dao động trong một khoảng rộng do đó tạo được nhiều sản phẩm có độ bền gel khác nhau Nhược điểm của phương pháp này là thời gian xử lý chậm, dịch trích ly chứa nhiều tạp chất do đó công đoạn tinh sạch sau này khá phức tạp Khi sử dụng kiềm với nồng độ OH- nhỏ hơn 0,5mol/L sẽ loại được các protein tạp mà không làm tổn thất