Nghiên cứu thu nhận, biến tính gelatin từ phế liệu thủy sản và ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm

Hơn nữa, hạn chế lớn nhất của gelatin từ phế liệu thủy sản là có khối lượngphân tử nhỏ, dẫn đến các tính chất chức năng như độ bền gel, nhiệt độ nóng chảy, độ nhớt,.... Mục tiêu nghiên c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

ĐÀ NẴNG - 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm

Mã số: 62.54.01.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS ĐẶNG MINH NHẬT

2 PGS.TS TRẦN THỊ XÔ

ĐÀ NẴNG - 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Người cam đoan

Châu Thành Hiền

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CHỮ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 5

1.1 Tổng quan về collagen và gelatin 5

1.1.1 Tổng quan về collagen 5

1.1.2 Quá trình chuyển từ collagen thành gelatin 11

1.1.3 Tổng quan về gelatin 12

1.1.4 Tổng quan về gelatin từ cá 17

1.2 Tổng quan về gelatin biến tính 20

1.2.1 Tác nhân biến tính 20

1.2.2 Cơ chế tạo liên kết ngang trong quá trình biến tính 21

1.3 Ứng dụng của gelatin 22

1.3.1 Gelatin trong thực phẩm 22

1.3.2 Trong dược phẩm 24

1.3.3 Gelatin trong kỹ thuật phim ảnh 24

1.3.4 Gelatin làm chất bổ sung dinh dưỡng 24

1.4 Tổng quan về nguồn thủy sản và phế liệu thủy sản 25

1.5 Tổng quan tình hình nghiên cứu về gelatin từ phế liệu thủy sản 25

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 25

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 34

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 38

2.1 Nguyên liệu 38

2.2 Hóa chất 38

2.3 Phương pháp nghiên cứu 39

2.3.1 Sơ đồ nghiên cứu 39

2.3.2 Bố trí thí nghiệm 41

2.3.3 Phương pháp phân tích hóa lý 46

2.3.4 Phương pháp phân tích hóa sinh 52

2.3.5 Phương pháp phân tích vi sinh 52

2.3.6 Phương pháp phân tích cảm quan 53

2.3.7 Phương pháp phân tích số liệu thực nghiệm 54

2.3.8 Tối ưu hóa điều kiện thực nghiệm 54

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 55

3.1 Nghiên cứu thu nhận gelatin từ phế liệu thủy sản 55

3.1.1 Khảo sát thành phần hóa học cơ bản của một số loại da cá 55

3.1.2 Nghiên cứu công đoạn xử lý nguyên liệu da cá 56

3.1.3 Nghiên cứu công đoạn trích ly gelatin 70

3.1.4 Nghiên cứu làm sạch gelatin 74

3.1.5 Xác định một số đặc tính của gelatin thành phẩm 85

3.1.6 Xác định chỉ tiêu an toàn vệ sinh thực phẩm và chỉ tiêu chất lượng của gelatin 91

3.1.7 Nghiên cứu chế độ bảo quản gelatin 92

3.1.8 Đề xuất quy trình thu nhận gelatin từ da cá quy mô phòng thí nghiệm 95

3.2 Nghiên cứu biến tính gelatin từ da cá Ngừ Đại Dương 97

3.2.1 Biến tính bằng enzyme transglutaminase, acid caffeic và acid tannic 97

3.2.2 Biến tính bằng polyphenol từ lá chè xanh 108

3.3 Nghiên cứu ứng dụng gelatin 117

3.3.1 Đánh giá khả năng ứng dụng làm chất tạo gel nhân kem marshmallow trong sản xuất bánh chocopie 117

3.3.2 Ứng dụng gelatin trong sản xuất kẹo dẻo hương cam 118

3.3.3 Ứng dụng gelatin biến tính bằng enzyme transglutaminase trong kỹ thuật vi bao chất màu anthocyanin 122

3.3.4 Đánh giá khả năng ứng dụng gelatin biến tính bằng polyphenol chè xanh làm màng bao bảo quản thịt 124

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 133

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH MỤC CHỮ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT

GBA Gelatin biến tính bằng acid caffeic

GBE Gelatin biến tính bằng enzyme transglutaminase

GNĐDS Gelatin từ da cá Ngừ Đại Dương có sóng siêu âm hỗ trợGNĐDT Gelatin từ da cá Ngừ Đại Dương xử lý bằng than hoạt tính

GTRAS Gelatin từ da cá Tra có sóng siêu âm hỗ trợ

GTRAT Gelatin từ da cá Tra xử lý bằng than hoạt tính

LOD Limit of detection: giới hạn định tính

SDS-PAGE Kỹ thuật điện di SDS-polyacrylamide gel

SEM Scanning electron microscopy – kính hiển vi điện tử quét

DANH MỤC CÁC BẢNG

bảng

1.2 Thành phần acid amin trung bình của gelatin (‰) 131.3 Một số ứng dụng của gelatin trong sản phẩm thực phẩm 231.4 Tóm tắt một số nghiên cứu thu nhận gelatin từ da cá trên thế giới 261.5 Tóm tắt một số nghiên cứu biến tính gelatin từ da cá trên thế giới 321.6 Tóm tắt một số nghiên cứu thu nhận gelatin từ da cá ở Việt Nam 352.1 Một số hóa chất chính dùng trong nghiên cứu 383.1 Thành phần hóa học cơ bản của một số loại da cá 553.2 Kết quả xác định nồng độ acid và thời gian xử lý da cho độ bền 57

gel cao nhất cùng với độ nhớt và hiệu suất thu hồi gelatin

Kết quả xác định hàm lượng vôi và thời gian xử lý da cá thích

3.3 hợp để thu được gelatin có độ bền gel cao nhất cùng với độ nhớt 59

và hiệu suất thu hồi

3.4 Kết quả xác định thời gian xử lý da trong huyền phù vôi, dung 61

dịch acid để thu được gelatin có độ bền gel cao nhất

So sánh kết quả xác định điều kiện tốt nhất để thu được gelatin từ

3.5 da cá khô và da cá lạnh đông bằng ba phương pháp acid, kiềm, 63

kết hợp kiềm-acid

3.6 Điều kiện khảo sát sơ bộ làm sạch màu dịch gelatin bằng THT 793.7 Mức yếu tố ảnh hưởng của điều kiện xử lý 803.8 Điều kiện tối ưu làm sạch màu dịch gelatin bằng THT 81

3.10 Tổng điểm và điểm trung bình về độ mùi của các mẫu gelatin 833.11 Hàm lượng các hợp chất gây mùi của gelatin 83

3.13 Kết quả đánh giá các chỉ tiêu an toàn vệ sinh thực phẩm và chỉ 91

tiêu chất lượng của gelatin

v

Số hiệu Tên bảng Trang bảng

3.14 Nồng độ gelatin thích hợp để biến tính 1013.15 Điều kiện thích hợp nhất để biến tính gelatin bằng 101

transglutaminase, acid caffeic, acid tannic

3.16 Kết quả đánh giá cảm quan gelatin sau khi biến tính 1063.17 Kết quả phân tích các chỉ tiêu chất lượng polyphenol thô chè 108

xanh

3.18 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ nhớt, mức độ liên kết ngang và 109

độ bền gel gelatin

3.19 Ảnh hưởng của hàm lượng polyphenol đến độ nhớt, mức độ liên 110

kết ngang và độ bền gel gelatin

3.20 Ảnh hưởng của nồng độ gelatin đến độ nhớt, mức độ liên kết 111

ngang và độ bền gel gelatin

3.21 Tóm tắt kết quả đánh giá chất lượng gelatin của nhà máy 117

3.23 Kết quả đánh giá các chỉ tiêu chất lượng của kẹo dẻo 1203.24 Một số chỉ tiêu của anthocyanin sau vi bao và không vi bao 1233.25 Ưu điểm, nhược điểm của các màng phim 128

DANH MỤC CÁC HÌNH

hình

1.2 Trình tự sắp xếp các acid amin trong phân tử collagen 6

1.4 Tương tác tạo liên kết ngang của collagen 101.5 Phản ứng giữa phức có liên kết aldimine với histidine hình 10

thành liên kết ngang histidino-hydroxylysinonorleucine

Phản ứng giữa phức có liên kết keto- amine với

1.6 hydroxylysine aldehyde, lysine aldehyde hình thành liên kết 11

ngang

1.7 Các dạng gelatin, A: dạng hạt; B: dạng tấm; C: dạng sợi 131.8 Độ nhớt gelatin phụ thuộc nhiệt độ và hàm lượng gelatin 151.9 Mô hình phân bố điện tích của gelatin loại A và B trong dung 16

dịch

1.10 Quy trình thu nhận gelatin tổng quát từ da cá 181.11 Cơ chế tạo liên kết ngang của gelatin xúc tác bởi enzyme 211.12 Cơ chế tạo liên kết ngang của gelatin bởi tác nhân hóa học 221.13 Ứng dụng của gelatin trong sản phẩm kẹo, kem, thịt đông 23

2.2 Sơ đồ quy trình thu nhận gelatin từ da cá 41

3.1 Ảnh hưởng của biên độ siêu âm đến độ bền gel, độ nhớt và 65

hiệu suất thu hồi

3.2 Ảnh hưởng của chu kỳ đóng ngắt siêu âm đến độ bền gel, độ 66

nhớt và hiệu suất thu hồi gelatin

3.3 Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến độ bền gel, độ nhớt và 67

hiệu suất thu hồi

3.4 Ảnh hưởng của thời gian siêu âm trong huyền phù vôi đến độ 69

Số hiệu Tên hình Trang hình

bền gel, độ nhớt và hiệu suất thu hồi gelatin

3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ trích ly đến độ bền gel, độ nhớt và 71

hiệu suất thu hồi gelatin

3.6 Ảnh hưởng của thời gian trích ly đến độ bền gel, độ nhớt và 72

hiệu suất thu hồi gelatin

3.7 Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi/ da cá đến độ bền gel, độ nhớt 73

và hiệu suất thu hồi gelatin

3.8 Ảnh hưởng của loại tác nhân làm sạch màu đến độ đục và độ 75

hấp thụ quang của dịch gelatin

3.9 Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý THT đến độ đục và độ hấp thụ 76

quang của dịch gelatin

3.10 Ảnh hưởng của thời gian xử lý THT đến độ đục và độ hấp thụ 77

quang của dịch gelatin

3.11 Ảnh hưởng của hàm lượng THT đến độ đục và độ hấp thụ 78

quang của dịch gelatin

3.12 Sự phân bố khối lượng phân tử của gelatin 853.13 Cấu trúc của gelatin thu nhận từ da cá Ngừ Đại Dương và da 86

độ bền gel gelatin

3.18 Ảnh hưởng hàm lượng transglutaminase, acid caffeic, acid 99

tannic đến độ nhớt và độ bền gel gelatin

3.19 Ảnh hưởng của nồng độ gelatin đến mức độ tăng độ nhớt và 100

độ bền gel gelatin

3.20 Ảnh điện di các mẫu gelatin biến tính và mẫu chuẩn marker 102

Số hiệu Tên hình Trang hình

3.21 Vi ảnh cấu trúc của gelatin trước và sau khi biến tính 103

3.23 Phổ hồng ngoại (FTIR) của gelatin trước và sau khi biến tính 1053.24 Gelatin trước và sau khi biến tính bằng transglutaminase, acid 107

caffeic, acid tannic đã sấy khô

3.25 Ảnh điện di các mẫu gelatin và mẫu chuẩn marker 1123.26 Ảnh vi cấu trúc gelatin trước và sau khi biến tính bằng 113

polyphenol

3.27 Phổ hồng ngoại của gelatin biến tính bằng polyphenol 1143.28 Gelatin trước và sau khi biến tính bằng polyphenol chè xanh 114

3.30 Quy trình công nghệ sản xuất kẹo dẻo gelatin 118

3.33 Sản phẩm anthocyanin vi bao (MCR-A) và không vi bao 123

(UMCR-A)

3.34 Sự thay đổi hàm lượng anthocyanin theo thời gian bảo quản 1233.35 Ảnh hưởng của nồng độ gelatin, hàm lượng glycerol đến độ 125

dày và độ hòa tan màng phim

3.36 Ảnh hưởng của nồng độ gelatin, hàm lượng glycerol đến độ 126

trương phồng và độ thấm hơi màng phim

3.37 Ảnh hưởng của nồng độ gelatin, hàm lượng glycerol đến độ 127

bền kéo và độ giãn dài của màng phim

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Gelatin với bản chất là protein được tạo thành từ sự phân giải collagen cótrong xương, da, gân, sụn, từ các loài động vật có vú và các loài thủy sản

Gelatin được ứng dụng nhiều trong các ngành y dược, mỹ phẩm, phim ảnh,

vì những tính chất chức năng độc đáo của nó Riêng trong ngành công nghệ thựcphẩm, gelatin được sử dụng với vai trò là chất ổn định, chất kết dính, chất nhũ hóa,chất tạo gel, [98]

Theo tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc (FAO), sản lượnggelatin trung bình hàng năm trên thế giới khoảng 326.000 tấn và nhu cầu sử dụngkhông ngừng gia tăng Trong đó, gelatin được sản xuất từ da heo, da bò chiếm phầnlớn, gelatin từ các nguồn nguyên liệu khác chiếm tỷ lệ rất ít [93] Tuy nhiên, donhững lo ngại về khả năng gây bệnh truyền nhiễm như lở mồm, long móng và cácvấn đề tôn giáo của gelatin từ động vật có vú, phế liệu chế biến thủy sản hiện đangnổi lên như là nguồn nguyên liệu thay thế để cung cấp gelatin đầy tiềm năng [88]

Cùng với sự phát triển của ngành khai thác và chế biến thủy sản, lượng phếliệu thủy sản thải ra môi trường ngày càng nhiều Theo khảo sát của FAO, hơn 158triệu tấn hải sản được đánh bắt và nuôi trồng hàng năm, trong đó chỉ khoảng 50%được sử dụng làm thực phẩm, lượng còn lại được cho là phế liệu, không sử dụngtrực tiếp cho con người [91] Ở Việt Nam, chỉ tính riêng khu vực Đồng bằng SôngCửu long, lượng phế liệu thủy sản thải ra hàng năm vào khoảng 300 ngàn tấn [8],hầu hết được sử dụng làm thức ăn gia súc hoặc sơ chế dưới dạng nguyên liệu thôvới giá trị kinh tế thấp Vì vậy, việc khai thác nguồn nguyên liệu này để sản xuấtgelatin thay thế gelatin có nguồn gốc từ động vật có vú đang là hướng đi được quantâm, có khả năng đem lại giá trị kinh tế cao và định hướng góp phần giảm thiểu ônhiễm môi trường

Mặc dù trong thời gian gần đây đã có nhiều nghiên cứu trên thế giới và số ít

ở nước ta về công nghệ thu nhận gelatin từ các loại phế liệu thuỷ sản, nhưng do có

sự khác biệt về nguồn gốc nguyên liệu, điều kiện nghiên cứu, mục tiêu của nghiên

cứu – thu nhận gelatin với hiệu suất cao hay chất lượng cao - nên các kết luận đưa

ra không có sự thống nhất về phương pháp xử lý nguyên liệu, hoá chất sử dụng chođến điều kiện trích ly gelatin Việc áp dụng các kỹ thuật tiên tiến như siêu âm trongcông nghệ chưa được quan tâm Các loại phế liệu thủy sản phổ biến trong nướcchưa được nghiên cứu nhiều và chưa toàn diện

Hơn nữa, hạn chế lớn nhất của gelatin từ phế liệu thủy sản là có khối lượngphân tử nhỏ, dẫn đến các tính chất chức năng như độ bền gel, nhiệt độ nóng chảy,

độ nhớt, thấp hơn so với gelatin từ động vật có vú Để khắc phục những hạn chếtrên, một số nghiên cứu đã được thực hiện trên thế giới nhằm biến tính gelatin, cảithiện các tính chất chức năng bằng các tác nhân vật lý, hóa học, sinh học khác nhau,nhờ đó có thể mở rộng phạm vi ứng dụng của gelatin Trong khi ở Việt Nam, vấn đềnày lại chưa được quan tâm đến

Ngoài ra, do có nguồn gốc từ nguồn nguyên liệu mới – phế liệu thuỷ sảnhoặc do hệ quả của quá trình biến tính dẫn đến những thay đổi về chất lượng, khảnăng ứng dụng của gelatin từ phế liệu thuỷ sản cũng là vấn đề cần thiết phải đánhgiá

Xuất phát từ những phân tích trên, đề tài “Nghiên cứu thu nhận, biến tính

gelatin từ phế liệu thủy sản và ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm” có ý

nghĩa thiết thực về mặt khoa học lẫn thực tiễn Những kết quả thu được từ nghiêncứu này sẽ bổ sung những hiểu biết mới về gelatin thuỷ sản, phát triển công nghệsản xuất và biến tính gelatin từ phế liệu này, cũng như đánh giá được khả năng ứngdụng gelatin thủy sản trong công nghiệp thực phẩm, qua đó nâng cao giá trị của cácloại phế liệu thuỷ sản

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Xây dựng quy trình công nghệ thu nhận gelatin từ da cá với chất lượng và hiệu suất thu hồi cao;

- Xây dựng quy trình biến tính gelatin từ da cá phế liệu nhằm cải thiện các đặc tính chất lượng của gelatin;

- Đánh giá khả năng ứng dụng gelatin thu được trong sản xuất một số sản

phẩm thực phẩm.

3 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được những mục tiêu nghiên cứu như trên, đề tài xác định các nội dung cần thực hiện như sau:

- Phân tích thành phần hóa học để chọn da cá thích hợp làm nguyên liệu thu nhận gelatin;

- Nghiên cứu phương pháp xử lý nguyên liệu da cá trước khi trích ly gelatin;

- Nghiên cứu điều kiện trích ly để thu được gelatin có chất lượng tốt và hiệu suất thu hồi gelatin cao;

- Nghiên cứu làm sạch gelatin sau khi trích ly;

- Xác định thành phần, cấu trúc và các đặc tính chức năng của gelatin;

- Nghiên cứu biến tính gelatin bằng các tác nhân hóa học và enzyme;

- Đánh giá khả năng ứng dụng gelatin thành phẩm

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Từ nội dung nghiên cứu được định ra trong luận án sẽ toát lên ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn chính như sau:

* Ý nghĩa khoa học

- Đánh giá được hiệu quả của các phương pháp xử lý nguyên liệu cho một sốloại da cá phổ biến ở Việt Nam để thu nhận gelatin, cũng như khả năng làm sạchgelatin bằng các loại than hoạt tính và cát, từ đó đề xuất quy trình công nghệ thunhận gelatin từ da cá có hiệu quả cao;

- Cung cấp thông tin khoa học về thành phần hóa học cơ bản của một số loại

da cá phổ biến ở Việt Nam, cũng như thành phần hóa học, cấu trúc và tính chất chứcnăng của gelatin thành phẩm thu được từ da cá phế liệu;

- Đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố đến sự biến tính gelatin từ da cábằng enzyme transglutaminase, acid caffeic, acid tannic, polyphenol từ lá chè xanh,qua đó đề xuất các quy trình công nghệ biến tính gelatin từ da cá nhằm cải thiện tínhchất chức năng của sản phẩm;

- Cung cấp thông tin khoa học về sự thay đổi tính chất, cấu trúc của gelatin

sau khi biến tính bởi enzyme transglutaminase, acid caffeic, acid tannic, polyphenol

- Nâng cao được giá trị kinh tế các loại da cá phế liệu sẵn có, đồng thời góp phần giảm thiểu tình trạng ô nhiễm môi trường bởi chất thải thủy sản

- Làm cơ sở để phát triển nguồn gelatin từ cá, phục vụ sản xuất, chế biến thực phẩm cho người theo đạo Hồi, không sử dụng thịt heo, thịt bò

6 Cấu trúc của luận án

Luận án gồm 136 trang (không kể phần phụ lục), kết cấu bao gồm:

Mở đầu có 4 trang trình bày tính cấp thiết, mục tiêu, nội dung, ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của luận án

Nội dung chính gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan tài liệu gồm 33 trang;

Chương 2: Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu, gồm có 17 trang;

Chương 3: Kết quả nghiên cứu gồm có 77 trang;

Phần kết luận và kiến nghị gồm 4 trang;

Các công trình nghiên cứu đã công bố 1 trang

Ngoài ra phần các công trình công bố và tài liệu tham khảo gồm 16 trang Trong luận án có tổng cộng có 33 bảng, 53 hình vẽ và đồ thị Có 131 tài liệutham khảo tiếng Việt, tiếng Anh và trang web

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan về collagen và gelatin

Gelatin là protein hòa tan, được thu nhận bằng cách thủy phân một phầncollagen có nguồn gốc từ da, mô sụn, xương động vật,… Gelatin có rất nhiều ứngdụng quan trọng trong công nghiệp thực phẩm, sinh học, dược phẩm, y học, phimảnh, bởi các tính chất chức năng độc đáo của nó

Để sản xuất gelatin, nguyên liệu giàu collagen được ngâm trong dung dịchacid hoặc kiềm loãng, dẫn đến sự phân cắt một phần các liên kết ngang củacollagen Sau đó hỗn hợp được gia nhiệt, làm cho phân tử collagen được phân nhỏđến mức tan được trong nước ấm, khi đó gelatin đã được hình thành [98]

Để thu được sản phẩm gelatin tốt, đảm bảo chất lượng, yêu cầu nguồncollagen phải tốt, phù hợp với yêu cầu sản phẩm gelatin Chất lượng collagen phụthuộc vào nhiều yếu tố như nguồn nguyên liệu (bò, heo, cá, ), độ tuổi của nguyênliệu, điều kiện sống của vật nuôi,…

1.1.1 Tổng quan về collagen

“Collagen” trong tiếng Hy Lạp được tạo nên từ 2 thành phần, một là “kolla”

có nghĩa là “keo” và hai là “gennao” có nghĩa là “sản xuất”, nên “collagen” cónghĩa là “sản xuất keo” [44] Collagen có chức năng như một chất keo gắn các bộphận trong cơ thể thành một khối hoàn chỉnh Nếu không có collagen, cơ thể người

và động vật chỉ là các phần rời rạc không liên kết được với nhau Đối với da củangười và động vật, collagen còn có nhiệm vụ tạo sự đàn hồi Đây chính là lý do tạisao collagen ở da có hình dạng khác so với collagen ở bộ phận khác

Collagen là một trong những protein dạng sợi phong phú nhất và đáp ứngđược các tính chất chức năng cơ học, đặc biệt là ở động vật có vú, chiếm khoảng25÷35% protein của toàn bộ cơ thể Nó được tìm thấy chủ yếu ở các mô như: da,gân và dây chằng Chúng có hầu hết trong xương, ngà, răng, mạch máu, sụn vàtrong các cấu trúc ngoại bào Ngoài ra collagen cũng có mặt trong các loài động vậtkhông xương sống như các loại nhuyễn thể [44][102]

1.1.1.1 Cấu trúc của collagen

Collagen có cấu tạo tương đối phức tạp, cấu trúc đơn giản nhất là collagenphân tử hay tropocollagen Chúng có dạng hình sợi, được tạo thành từ 3 chuỗipolypeptid (chuỗi α) liên kết với nhau, gọi là collagen xoắn ba và tạo thành cấu trúckhông gian 3D như hình 1.1

8,6 nm0,87 nm

1,5 nm

Hình 1.1 Cấu trúc xoắn ba của collagen [41]

Cấu trúc xoắn ba ổn định nhờ các liên kết hydro trong mỗi chuỗi và giữa cácchuỗi với nhau Các chuỗi xoắn ba có chiều dài khoảng 300 nm và khối lượng phân

tử khoảng 105 kDa Cấu trúc đặc biệt này là do sự lặp lại gần như liên tục của trình

tự các acid amin Gly-X-Y với khoảng 334 đơn vị, trong đó proline thường xuất hiện

ở vị trí Y và hydroxyproline hầu như luôn xuất hiện ở vị trí X

Hình 1.2 Trình tự sắp xếp các acid amin trong phân tử collagen [44]

Glycine (Gly) chiếm khoảng 33% các thành phần acid amin, proline (Pro) vàhydroxyproline (Hyp) chiếm lần lượt khoảng 22% và 25%, các acid amin còn lạiđược phân phối ngẫu nhiên ở vị trí X và Y [52].

Hình 1.3 Cấu tạo phân tử collagen [44]

Trong tất cả các acid amin, hydroxyproline đóng vai trò rất quan trọng cho sự

ổn định của collagen, là một acid amin đặc trưng của collagen và không được tìmthấy trong bất kì một protein nào khác Trong hydroxyproline có gắn nhóm -OHnằm ở vị trí cacbon gamma Polypeptide của collagen nếu thiếu hydroxyproline sẽtạo nên cấu trúc gấp khúc ở nhiệt độ thấp và sẽ không bền vững ở nhiệt độ thânnhiệt [44]

1.1.1.2 Phân loại collagen

Cho đến nay khoảng 28 loại collagen khác nhau được xác định Một số loạicollagen phổ biến được thống kê ở Bảng 1.1

Hơn 90% collagen trong cơ thể thuộc loại I, collagen loại I được sử dụng đểsản xuất gelatin, bao gồm khoảng 1014 acid amin liên kết dưới dạng chuỗi với khốilượng phân tử xấp xỉ 100.000 g/mol

Bảng 1.1 Một số loại collagen phổ biến [98]

STT Loại Cấu tạo Đặc trưng cấu trúc Nguồn collagen

collagen phân tử

chằng,

4 V [α1]2 α2 và Sợi kết hợp với loại I Tương tự như loại I,

α1 α2 α3 với hai đầu chuỗi cũng có ở tế bào đang

hình cầu phát triển, thai nhi

5 XI α1 α2 α3 Sợi kết hợp với loại II Tương tự như loại II1.1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc của collagen

a Ảnh hưởng bởi nước

Nước giữ vai trò trực tiếp trong các biến đổi hóa học của collagen thông qua

sự thủy phân, sự ổn định các liên kết hydro và khả năng tạo thành gelatin

Phân tử nước có tính lưỡng cực nên tác động đến các thành phần mang điệntích âm và điện tích dương trong phân tử collagen, làm giảm sự thu hút tĩnh điệngiữa các ion bằng cách hình thành vỏ ngậm nước xung quanh Collagen giữ nước ởhai hình thức: nước cấu trúc và nước tự do

Nước cấu trúc là nước hydrat hóa các nhóm chức chức năng của collagentrong các dạng đơn lớp hoặc đa lớp Mỗi nhóm phân cực trong collagen liên kết với

H+ hoặc OH- của phân tử nước

Phần nước tự do ảnh hưởng rất lớn đến cấu trúc không gian của collagen,làm thay đổi lực tĩnh điện của các nhóm ion và liên kết hydro do H+, OH- [28][52]

b Ảnh hưởng bởi acid và kiềm

Collagen cũng bị ảnh hưởng bởi nồng độ H+ và OH- trong môi trường nước

vì collagen có bản chất là protein Trong phân tử collagen có chứa các nhóm mangđiện, ở pH đẳng điện các liên kết nội phân tử chặt chẽ nhất Sự gia tăng nồng độ H+

hoặc OH- làm phá vỡ các liên kết nội tại của chuỗi collagen để chúng liên kết vớiion, làm tăng điện tích dương hoặc âm tùy thuộc vào môi trường Tuy nhiên,collagen không liên kết một cách tự do với các điện tích trong môi trường mà nó chỉliên kết với một lượng nhỏ H+ hoặc OH- Bằng cách tăng nồng độ H + hoặc OH- dẫnđến sự đẩy nhau giữa các điện tích cùng dấu tạo nên một lớp màng điện thế Điềunày tạo điều kiện thuận lợi cho nước di chuyển vào trong chuỗi collagen tạo liên kếttĩnh điện với các nhóm mang điện và tạo liên kết hydro với các nhóm không mangđiện [28][48].

c Ảnh hưởng bởi enzyme

Quá trình khử trùng hợp các đại phân tử tropocollagen có thể xảy ra nhờ cácenzyme bẻ gãy các liên kết ở khu vực không tạo xoắn Cụ thể: pepsin hoặc trypsintấn công vào khu vực giàu tyrosine và các acid amin có tính acid và không cóhydroxyproline Các enzyme xúc tác thủy phân peptid như pepsin và chymotrypsinkhông có khả năng phá vỡ cấu trúc xoắn ốc của collagen Tuy nhiên, chymotrypsin

và enzyme lysozyme có thể chuyển đổi chuỗi β và γ thành chuỗi α bằng cách thủyphân các liên kết peptid giữa glycine – isoleucine hoặc giữa serine và valine củachuỗi α1 ở đầu -NH2 [44]

Ngoài ra, enzyme collagenase thủy phân phân tử collagen có nguồn gốc tựnhiên ở điểm khoảng 3/4 chiều dài từ đầu -NH2 Tuy nhiên, có quan điểm cho rằng

vị trí phân cắt chính xác trên các chuỗi xoắn ba collagen bởi enzyme collagenase ởcác sản phẩm collagen biến tính là không rõ ràng [52]

1.1.1.4 Các liên kết ngang trong collagen

Các liên kết ngang chính trong tropocollagen và giữa các tropocollagen vớinhau thường được tạo thành do sự khử amin hóa của lysine với lysine để tạo thànhlysine aldehyde được thể hiện minh họa ở Hình 1.4 như sau:

Hình 1.4 Tương tác tạo liên kết ngang của collagen [44]

Ngoài ra phần hai đầu của chuỗi có thể tạo liên kết với các acid amin củachuỗi xoắn như hydroxylysine (Hyl), glycine (Gly), histidine (His), arginine (Arg)được minh họa như sau:

Hình 1.5 Phản ứng giữa phức có liên kết aldimine với histidine hình thành liên

kết ngang histidino-hydroxylysinonorleucine [44]

Hình 1.6 Phản ứng giữa phức có liên kết keto- amine với hydroxylysine

aldehyde, lysine aldehyde hình thành liên kết ngang [44]

1.1.2 Quá trình chuyển từ collagen thành gelatin

Khi gia nhiệt collagen trong môi trường nước đến 500C, cấu trúc các sợicollagen co lại, collagen bị mất một phần nước và biến tính làm lộ ra một số cáctương tác kỵ nước và bị keo tụ Sự hấp thụ nước càng giảm khi nhiệt độ càng tăng.Khi tăng nhiệt độ đến 600C, lực liên kết để duy trì cấu trúc có trật tự của collagen bịsuy yếu nhất, cấu trúc xoắn ba của collagen được thủy phân ở những vị trí có liênkết cộng hóa trị, các liên kết giữa các phân tử đã bị đứt Lúc này collagen bị biếntính hoàn toàn, các nhóm bên của các acid amin ẩn ở bên trong trước đây được lộ rabên ngoài Khi bị biến tính bởi nhiệt trong môi trường nước, chuỗi xoắn ba củacollagen bị tháo xoắn và giải phóng ra các polypeptid đơn tức gelatin được hìnhthành [44]

Theo lý thuyết của Hofmeister, quá trình chuyển collagen thành gelatin đượcminh họa bằng phương trình [11]:

C102H149O38N31 + H2O  C102H151O39N31

Bên cạnh đó, khi phản ứng xảy ra ở nhiệt độ cao và thời gian quá dài, ngoài quátrình chuyển collagen thành gelatin thì gelatin tạo thành cũng bị tác động bởi nhiệt độdẫn đến sự tạo thành các sản phẩm không mong muốn như gelatose và gelatone [11]:

sử dụng chúng như một loại keo dán gỗ Ngày nay, gelatin đã được sản xuất ở quy

mô công nghiệp với những ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau [98].1.1.3.1 Phân loại gelatin

a Phân loại dựa theo phương pháp xử lý nguyên liệu

Trong sản xuất gelatin, nguyên tắc xử lý nguyên liệu là phân cắt một phầncác liên kết ngang trong cấu trúc của collagen để có thể tan trong nước nóng và loại

bỏ các hợp chất phi collagen có trong nguyên liệu Các phương pháp xử lý thôngthường sử dụng acid loãng hoặc kiềm loãng Khi nguyên liệu được xử lý bằng dungdịch acid, gelatin thu được là gelatin loại A Với phương pháp này, các acid aminnhư: acid glutamic, acid aspartic không đổi so với nguyên liệu ban đầu Điểm đẳngđiện của gelatin loại A khoảng 8÷9 Khi nguyên liệu được xử lý bằng dung dịchkiềm, gelatin được gọi là gelatin loại B Với phương pháp này, các acid amin nhưasparagine, glutamine chuyển đổi thành acid glutamic và acid aspartic Điểm đằngđiện của gelatin loại B khoảng 4÷5,5 [48]

Đối với mỗi phương pháp xử lý nguyên liệu khác nhau, thành phần acid amincủa gelatin cũng khác nhau

Bảng 1.2 Thành phần acid amin trung bình của gelatin (‰) [98]

STT Acid amin Gelatin Gelatin STT Acid amin Gelatin Gelatin

b Phân loại theo nguồn gốc nguyên liệu

Dựa vào nguồn gốc nguyên liệu để sản xuất, gelatin được chia thành 2 loại:

- Gelatin động vật có vú: Gelatin được sản xuất từ da, gân, xương, động vậtnhư: heo, bò,

- Gelatin cá: Gelatin được sản xuất từ da, vảy, xương, của cá

c Phân loại theo hình dạng

Dựa vào hình dạng, gelatin được chia thành 3 dạng: gelatin dạng hạt, dạng tấm và dạng sợi.

Hình 1.7 Các dạng gelatin, A: dạng hạt; B: dạng tấm; C: dạng sợi [98][131]

13

1.1.3.2 Tính chất của gelatin

a Tính chất vật lý

Gelatin có màu vàng nhạt, trắng ngà hoặc hổ phách, màu gelatin phụ thuộcvào đặc tính nguyên liệu, phương pháp xử lý nguyên liệu, phương pháp sấy, Gelatin bền trong không khí khô nhưng trong không khí ẩm hoặc trong dung dịch

dễ bị vi sinh vật làm hỏng Gelatin không tan trong nước lạnh, etanol, ete Khi ngâmtrong nước lạnh gelatin trương nở, mềm đồng thời hút nước với khối lượng gấp5÷10 lần so với gelatin ban đầu Gelatin tan trong nước ấm, trong acid acetic nhưngkhi nguội thì đông lại [60]

b Tính chất chức năng

* Khả năng tạo gel

Sự tạo gel, tạo kết cấu của gelatin liên quan rất nhiều đến cấu trúc, kíchthước phân tử và nhiệt độ môi trường

Khi cho gelatin vào nước, gelatin tồn tại ở 2 dạng: dạng gel hoặc dạng dungdịch keo Ở nhiệt độ lạnh, gelatin từ dạng dung dịch keo chuyển thành gel và khi ởnhiệt độ nóng chuyển từ dạng gel thành dạng dung dịch keo Về mặt lý thuyết, sựchuyển đổi này không có giới hạn vì vậy tính chất chức năng này của gelatin đượcxem là rất quan trọng Những sản phẩm có tính keo như alginate, carrageenan,pectin cũng tạo gel nhưng sự chuyển đổi trạng thái không được hoàn toàn nhưgelatin [48]

Khả năng tạo gel là tính chất rất quan trọng để đánh giá chất lượng củagelatin và được đánh giá thông qua độ bền gel (độ Bloom) Độ Bloom được đặt theotên của nhà khoa học người Mỹ, Oscar T Bloom, người đã sáng chế ra một thiết bịkiểm ra độ bền của keo, gelatin và những chất tương tự, được cấp bằng sáng chếvào ngày 09 tháng 6 năm 1925, số 1540979 Theo định nghĩa, độ Bloom là khốilượng tính bằng gam cần thiết để một piston có đường kính 12,7 mm nén lên bề mặtgel gelatin cho đến khi đâm xuyên đến độ sâu 4 mm Gel gelatin được chuẩn bị ởnồng độ 6,67%, được giữ ở 100C trong thời gian 17 giờ trước khi đo [98]

Độ Bloom của gelatin nằm trong khoảng 50÷300 gam tùy theo từng loại

gelatin Gelatin có độ Bloom cao: 200÷300 gam, độ Bloom trung bình: 100÷200gam và độ Bloom thấp: 50÷100 gam Gelatin với độ Bloom cao sẽ có điểm tan chảy,điểm tạo gel cao hơn, thời gian gel hóa ngắn hơn, cường độ gel mạnh hơn và ngượclại Khả năng tạo gel phụ thuộc rất nhiều vào nồng độ gelatin, nhiệt độ của gel, loạigelatin, thành phần acid amin,

Gel gelatin được tạo thành theo cơ chế: Gelatin hấp thụ nước và trương nở.Khi được gia nhiệt đến nhiệt độ cao hơn điểm tan chảy, gelatin sẽ tan trong nước vàhình thành mạng lưới đan xen, kết dính với nhau Giữa các mạng lưới có các lỗhổng giữ nước và duy trì được tính rắn của hệ thống, chúng tạo thành gel khi làmnguội bởi các liên kết hydro Quá trình chuyển từ dạng dung dịch sang dạng gel củagelatin có tính thuận nghịch Gel của gelatin bắt đầu tan chảy ở nhiệt độ 27÷340C vàtan hoàn toàn ở nhiệt độ cơ thể người (370C) nên ứng dụng rất rộng rãi trong chếbiến thực phẩm [60]

Khi nhiệt độ dưới 200C dung dịch sẽ tồn tại ở dạng gel (ngoại trừ nồng độquá thấp), trong khoảng nhiệt độ từ 20÷350C thì dung dịch vừa tồn tại ở dạng gelvừa tồn tại ở dạng nhớt hoặc ở dạng chất lỏng có độ nhớt không ổn định Trên 350Ccác phân tử gelatin trở nên rời rạc, cho dù tăng nồng độ gelatin trong dung dịch thìchúng cũng không liên kết với nhau.

c Đặc tính bề mặt

Tính chất bề mặt của gelatin có được là do các acid amin ưa nước hay kỵnước của chúng tạo nên Cả 2 phần ưa nước và kỵ nước đều có xu hướng di chuyển

về phía bề mặt do đó làm giảm sức căng bề mặt của nước Đồng thời gelatin cũng

có tính năng bảo vệ và ổn định bọt, nhũ tương [98]

d Điểm đẳng điện

Điểm đẳng điện của hệ phân tán được định nghĩa là giá trị pH của môi trường

mà tại đó các hạt phân tán không chuyển động trong điện trường Tại pH này dungdịch gelatin kém bền nhất, dễ kết tủa, các phân tử không tích điện

Điểm đẳng điện có ảnh hưởng đến tính chất hoạt động bề mặt của gelatin Ởmôi trường pH tương ứng với điểm đẳng điện gelatin trung hòa về điện Nếu pH caohơn điểm đẳng điện thì gelatin tích điện âm và ngược lại, pH thấp hơn điểm đẳngđiện gelatin tích điện dương [73] Sự phân bố điện tích của gelatin phụ thuộc vào

e Tính lưỡng tính

Gelatin là một protein điển hình có tính chất đặc trưng của protein, có khảnăng thể hiện tính acid hoặc tính kiềm Tính chất lưỡng tính là do nhóm carboxyl (-COOH) thể hiện tính acid và nhóm amin (-NH2) thể hiện tính kiềm Gelatin tồn tạitrong dung dịch dưới dạng lưỡng cực gọi là ion “Zwitter”

Vì gelatin có tính lưỡng tính nên trong môi trường acid, sự phân ly nhómacid bị kìm hãm, gelatin thể hiện như một chất có tính kiềm, tích điện dương “+” ,

di chuyển về phía cực âm “–” trong điện trường Ngược lại, trong môi trường kiềm

sự phân ly của nhóm kiềm bị kìm hãm, gelatin thể hiện tính acid, tích điện “-”, dichuyển về phía cực dương “+” trong điện trường [76]

f Khả năng tạo màng

Gelatin có khả năng tạo màng, màng gelatin được tạo ra do khả năng tạo gelchủ yếu bằng liên kết hydro nên gel có tính thuận nghịch Màng gelatin có khả năngchịu lực cơ học tốt tùy thuộc vào nguồn gốc gelatin Độ thấm hơi nước của mànggelatin cũng phụ thuộc vào nguồn gelatin từ cá hay từ bò, heo [48]

1.1.4 Tổng quan về gelatin từ cá

Gelatin cá được thu nhận từ da, vảy, xương, nhưng chủ yếu từ da Gelatin

cá có đầy đủ các tính lưu biến như độ nhớt, độ bền gel, nhiệt độ tan chảy tương tựnhư gelatin từ động vật có vú nhưng ở mức độ thấp hơn Các tính chất của gelatinchịu ảnh hưởng bởi hai yếu tố chính: đặc tính của collagen trong nguyên liệu da vàđiều kiện thu nhận Các liên kết ngang trong phân tử collagen từ da cá không bềnchắc như liên kết ngang trong collagen của da bò, da heo Do đó khi xử lý da cá đểthu nhận gelatin chỉ cần dùng các tác nhân có tính acid hoặc kiềm nhẹ cũng đủ đểphá vỡ các liên kết ngang trong phân tử collagen Bên cạnh đó, khối lượng phân tửgelatin cũng như tỷ lệ các acid amin như proline, hydroxyproline trong gelatin cáthấp cũng ảnh hưởng đến tính chất của gelatin [23][60]

Hiệu suất thu hồi và chất lượng gelatin phụ thuộc vào loại nguyên liệu vàđiều kiện thu nhận Hiệu suất thu hồi trung bình của gelatin từ phế liệu thủy sản daođộng từ 6÷19% (gam gelatin khô/100 g nguyên liệu sạch ướt) [65] Trong đó, hiệu

suất thu hồi từ da cá cao nhất: 15÷24% [23][116]; từ vảy: 10÷11% [101][127]; từxương: 3÷3,5% [24][63] Vì hiệu suất thu hồi gelatin từ da cá khá cao, trong khi độbền gel, độ nhớt, khối lượng phân tử, tương đương như gelatin từ vảy và xươngnên trong các loại phế liệu thủy sản, các nghiên cứu đều tập trung chủ yếu vào phếliệu da cá với quy trình tổng quát được mô tả như sau:

liệu

Gelatinthành phẩm

Hình 1.10 Quy trình thu nhận gelatin tổng quát từ da cá [107][116]

Da cá phế liệu được sơ chế loại bỏ hết phần thịt, vảy, dính trên da, sau đóđược xử lý bằng acid loãng (acid acetic, acid citric, ) hoặc kiềm loãng (NaOH,Ca(OH)2) để loại bỏ tạp chất như sắc tố da, lipid, cũng như thủy phân các liên kếtngang có trong collagen giúp cho quá trình chuyển từ collagen thành gelatin được

dễ dàng Sau khi xử lý, da cá được rửa sạch, trích ly và lọc để thu được dịch gelatintrong Sau cùng, dịch gelatin được cô đặc và sấy thu được gelatin thành phẩm

Quy trình thu nhận gelatin từ da cá như trên có nhược điểm: thời gian xử lý

da cá kéo dài, nhất là xử lý bằng dung dịch kiềm; gelatin chưa được làm sạch màu,mùi nên sản phẩm gelatin có màu vàng sẫm và còn mùi tanh đặc trưng của cá [6]

Một số tính chất tiêu biểu của gelatin cá

Tính chất chức năng của gelatin cá chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, trong đóchủ yếu phụ thuộc vào điều kiện thu nhận và các đặc tính của collagen nguyên liệu

Phương pháp thu nhận (xử lý bằng acid hoặc kiềm) đều ảnh hưởng đến tính chất củagelatin, cũng như điều kiện trích ly như nhiệt độ, thời gian, pH, [23].

* Tính chất bề mặt

Tính chất lưỡng tính cùng với vùng kỵ nước trong chuỗi polypeptide củagelatin mang đến khả năng nhũ hoá của gelatin, nhờ đó chúng có nhiều ứng dụngkhác nhau trong sản xuất kẹo, margarine ít béo, nước xốt salad, kem sữa và các sảnphẩm khác

Khả năng tạo bọt của dung dịch gelatin chịu ảnh hưởng bởi nguồn gelatin,tính chất nội tại của gelatin, thành phần các acid amin trong gelatin, Sự ổn địnhbọt của dung dịch gelatin thường có tương quan với khối lượng phân tử của cácpolypeptide

Tính chất tạo bọt của gelatin đóng vai trò rất quan trọng và hữu ích trong chếbiến thực phẩm, đặc biệt trong sản xuất kem marshmallow [23][60]

* Khả năng tạo màng của gelatin cá

Gelatin cá có khả năng tạo màng tốt, màng gelatin thu được khá dẻo, trongsuốt, không màu, Tuy nhiên, màng gelatin cá có độ thấm hơi nước cao và tính chất

cơ học thấp so với màng gelatin từ bò hoặc heo Đó là do khối lượng phân tử, thànhphần acid amin của gelatin, đặc biệt là hàm lượng proline và hydroxyproline

Các đặc tính của màng gelatin có thể được cải thiện bằng cách kết hợpgelatin với các protein hoặc polysaccharide khác hoặc các tác nhân tạo liên kếtngang nội phân tử hoặc giữa các phân tử Ngoài ra, các chất làm dẻo khác nhau cóthể được sử dụng để cải thiện các tính chất cơ học của màng gelatin Các tác nhânthêm vào để cải thiện đặc tính màng gelatin có thể làm giảm đặc tính ưa nước củagelatin hoặc thúc đẩy sự hình thành các liên kết đồng hóa trị trong cấu trúc mạngprotein của màng [23][60]

* Tính chất lưu biến của gelatin cá

Gelatin cá thường có độ bền gel dao động từ 0÷270 gam Độ bền gel gelatincủa các loài cá sống ở nước lạnh thường khoảng 100 gam hoặc thấp hơn, trong khigelatin từ các loài cá nước ấm thường có giá trị lớn hơn 200 gam [23]

Ngoài độ bền gel, độ nhớt là tính chất quan trọng thứ hai của gelatin Sự

khác biệt về độ nhớt có thể do điều kiện thu nhận, sự khác nhau giữa các loài cá vàkhối lượng phân tử gelatin [23].

Gelatin cá có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ đông đặc tương đối thấp so vớigelatin bò, heo và gia súc vì chúng có lượng proline và hydroxyproline thấp hơn.Tuy nhiên, gelatin có nguồn gốc từ các loài cá ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới(nước nóng) có thể có tính ổn định nhiệt tương đương gelatin động vật có vú, đặctính này cũng phụ thuộc vào từng loài, loại nguyên liệu và điều kiện thu nhận Khităng nhiệt độ trích ly trên 750C sẽ làm giảm tính chất lưu biến của gelatin [23][59]

1.2 Tổng quan về gelatin biến tính

Theo kết quả của nhiều nghiên cứu cho thấy, gelatin từ da cá có những điểmkhác biệt so với gelatin da động vật có vú: Gelatin từ da cá có khối lượng phân tửnhỏ, mạch polypeptide ngắn, hàm lượng proline và hydroxyproline thấp, dẫn đếnmột số tính chất chức năng của chúng hạn chế hơn: độ nhớt, độ bền gel (Bloom), thấp, do đó khả năng ứng dụng của chúng cũng hạn chế hơn Vì vậy, để thay đổitính chất chức năng của gelatin cần có sự tác động của tác nhân bên ngoài, đó là quátrình biến tính gelatin

Mục đích của quá trình biến tính nhằm tạo ra các liên kết cộng hóa trị (liênkết ngang) để tăng kích thước, khối lượng phân tử gelatin thông qua nhóm amin,cacboxyl, hydroxyl Gelatin sau biến tính sẽ cải thiện được tính chất chức năng như:tăng độ nhớt, độ Bloom [34][85]

1.2.1 Tác nhân biến tính

Nhiều nhóm tác nhân vật lý, hóa học, sinh học khác nhau đã được nghiên cứu

sử dụng trong các quá trình biến tính gelatin Mức độ tạo liên kết ngang phụ thuộcvào loại gelatin, nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng, pH và tác nhân sử dụng

- Nhóm tác nhân vật lý: nhiệt, tia UV hoặc chiếu xạ [21];

- Nhóm tác nhân hóa học: gồm tác nhân vô cơ (Al3+, Cr3+, Fe3+…) và hữu cơ

(formaldehyde, glutaraldehyde, glyoxal, acid phenolic, ) Trong nhóm tác nhân hóahọc chỉ có acid phenolic an toàn dùng trong thực phẩm [124]

- Nhóm tác nhân sinh học: chủ yếu dùng các enzyme tyrosinase, laccase,

peroxidase, transglutaminase, , trong đó transglutaminase được sử dụng phổ biếnnhất [127].

1.2.2 Cơ chế tạo liên kết ngang trong quá trình biến tính

Tùy thuộc tác nhân biến tính, cơ chế tạo thành các liên kết ngang giữa cácphân tử gelatin có thể khác nhau Một số cơ chế tạo liên kết ngang của gelatin đượcgiải thích như sau:

* Đối với nhóm tác nhân sinh học (enzyme)

Hình 1.11 Cơ chế tạo liên kết ngang của gelatin xúc tác bởi enzyme [130]

- Đối với enzyme tyrosinase, enzyme laccase, enzyme peroxidase: Dưới sựxúc tác của enzyme, nhóm hydroxyl của protein bị oxy hóa, sau đó phản ứng vớinhóm amin (-NH2), sulfhydryl (-SH) của protein thứ 2 hình thành liên kết ngang(enzyme tyrosinase) hoặc tạo thành liên kết ngang giữa 2 phân tử protein có nhómhydroxyl đã bị oxy hóa (enzyme laccase, enzyme peroxidase)

- Đối với enzyme transglutaminase: Enzyme này xúc tác sự tạo thành liên kếtisopeptide giữa nhóm amine của protein này (có chứa lysine) và nhóm acyl củaprotein kia (có chứa glutamine) Phản ứng giải phóng một phân tử NH3.

* Đối với nhóm hóa học:

Hợp chất phenolic bị oxy hóa thành quinone, sau đó phản ứng với nhómamine tự do ở mạch bên của chuỗi polypeptide tạo liên kết đồng hóa trị C–N cùngvới sự tái sinh của hydroquinone Tiếp theo có thể bị oxy hóa tiếp và kết hợppolypeptide thứ hai Kết quả tạo thành liên kết ngang giữa các polypeptide

bọt, tạo đàn hồi, tạo hệ keo, Tùy theo từng loại sản phẩm mà gelatin được dùng với độ Bloom và hàm lượng khác nhau.

Một số ứng dụng của gelatin trong thực phẩm dựa vào độ Bloom và hàm lượng gelatin được thể hiện ở Bảng 1.3

Bảng 1.3 Một số ứng dụng của gelatin trong sản phẩm thực phẩm [76]

Loại sản phẩm Độ Bloom, g Hàm lượng Chức năng Chức năng phụ

Món tráng miệng 200÷260 1,5÷3 Tạo gel Tạo kết cấu, độ

trong suốt

Gummy trái cây 200÷280 6÷10 Tạo gel Tạo kết cấu, đàn

hồi, độ trong suốt

Bánh sandwich 240÷280 0,3÷1,5 Ổn định Tạo kết cấu, độ mịn

1.3.2 Trong dược phẩm

Trong công nghiệp sản xuất dược phẩm gelatin được sử dụng để sản xuất baoviên thuốc con nhộng (viên nang) Gelatin có tác dụng bảo vệ thành phần thuốcchống lại các tác nhân có hại như ánh sáng và chất oxy hóa Thành phần chính của

vỏ thuốc là gelatin, ngoài ra còn có bổ sung thêm các thành phần như: Glycerol,sorbitol, những chất hoạt động bề mặt khác, các chất màu cho phép sử dụng vàhương liệu Gelatin dùng làm vỏ thuốc có hai loại: nang cứng và nang mềm Nangmềm: Gelatin có độ Bloom thấp, loại A (170÷180 g), loại B (150÷175 g) Nangcứng: Gelatin có độ Bloom từ trung bình đến cao, loại A (250÷280 g), loại B(225÷250 g) Gelatin còn được sử dụng trong sản xuất gạc vô trùng trong hoạt độnggiải phẫu [59]

1.3.3 Gelatin trong kỹ thuật phim ảnh

Gelatin được sử dụng trong các sản phẩm phim cuộn cách đây cả hàng trămnăm như một chất kết dính Chức năng của gelatin trong công nghệ phim chụp ảnh:

- Gắn kết các phân tử bạc bromua nhạy sáng;

- Sự có mặt của gelatin rất cần thiết trong quá trình sản xuất phim ảnh vì nóđiều khiển quá trình tạo tinh thể của các halogen bạc, tăng độ nhạy, ổn định hìnhảnh và giảm thời gian rửa ảnh đi một cách đáng kể

Yêu cầu về chất lượng của gelatin dùng trong phim ảnh rất cao, hầu hết các tạp chất được giới hạn xuống dưới 10 ppm, độ Bloom cao (215÷310 g) [28]

1.3.4 Gelatin làm chất bổ sung dinh dưỡng

Gelatin tự nhiên có chức năng quan trọng trong việc cung cấp cho cơ thểngười những acid amin, đặc biệt là glycine và proline Gelatin là nguồn thực phẩmgiàu protein, không cholesterol, không đường, không béo Nó dễ dàng được cơ thểhấp thụ hoàn toàn mà không sinh ra phản ứng phụ Nhờ những tính chất đặc biệt đó

mà gelatin chiếm vị trí quan trọng trong bữa ăn Ngoài ra, gelatin cũng đóng vai tròquan trọng trong việc giảm cân nhờ khả năng tạo gel nên tạo cảm giác giống chấtbéo Vì vậy gelatin có thể thay thế một phần cho các sản phẩm giàu béo [23]

1.4 Tổng quan về nguồn thủy sản và phế liệu thủy sản

Theo Tổng cục Thủy sản Việt Nam, sản lượng khai thác thủy sản đã duy trìtăng trưởng liên tục trong nhiều năm qua với mức tăng bình quân 9,07%/năm Năm

2016 tổng sản lượng thủy sản ước đạt hơn 6,7 triệu tấn, với 2 mặt hàng chủ yếu là

cá và tôm Trong đó sản lượng cá chiếm khoảng 72,55%; tôm chiếm khoảng 9,76%;phần còn lại là mực và các loại thủy sản khác Trong các loại cá thì cá Tra và cáNgừ Đại Dương là 2 loại cá chủ lực của ngành với sản lượng lần lượt khoảng 697,6nghìn tấn và 26,02 nghìn tấn trong năm Mùa vụ thu hoạch chính của cá Ngừ ĐạiDương vào khoảng tháng 10 đến tháng 3 âm lịch; Mùa vụ thu hoạch chính cá Travào khoảng tháng 2 đến tháng 7 và mùa vụ thu hoạch phụ vào khoảng tháng 9 đếntháng 12 âm lịch [16]

Xét về thành phần khối lượng của cá theo tỷ lệ phần trăm, phần thịt cá chiếmtrung bình khoảng 55,26% khối lượng cá, phần còn lại gồm đầu, da, xương, vảy,vây và nội tạng Ước tính để sản xuất được 1 tấn thành phẩm cá fillet lượng chấtthải rắn thải ra môi trường khoảng 1,8 tấn, trong đó da chiếm phần lớn [65][91]

Phế liệu thủy sản được coi là có giá trị thấp và thường được xử lý với mộtcách tiện lợi nhất như đốt, sản xuất khí sinh học, sản xuất bột cá làm thức ăn cho vậtnuôi, Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây đã xác định được rằng một số hợp chất

có hoạt tính sinh học từ protein của da, cơ, xương, vây, nội tạng, như collagen,gelatin, có giá trị cao và được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp khácnhau [93]

Thành phần quan trọng từ phế liệu thủy sản phải tận dụng để sản xuất các sảnphẩm có giá trị phải kể đến là protein và lipid, trong đó hàm lượng protein trungbình chiếm từ 10÷23% (w/w) Riêng với phế liệu từ cá, da có hàm lượng protein20÷35%; lipid 0,3÷1,5%, trong khi vảy có hàm lượng protein 14÷24%; lipid0,1÷0,8% [65][101]

1.5 Tổng quan tình hình nghiên cứu về gelatin từ phế liệu thủy sản

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Gelatin từ các nguồn nguyên liệu truyền thống như da heo, da bò đã được

các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu từ lâu Tuy nhiên, cho đếnnhững năm gần đây, gelatin từ phế liệu thủy sản mới được quan tâm nghiên cứunhiều nhằm xác định điều kiện thu nhận, đặc tính của gelatin thành phẩm…

1.5.1.1 Các nghiên cứu về thu nhận gelatin từ phế liệu thuỷ sản

Các nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào nguồn phế liệu da cá nhiều hơn làxương và vảy, trong đó chủ yếu nghiên cứu về các phương pháp xử lý da cá, nhiềunhất là các phương pháp xử lý bằng acid, kiềm hoặc kết hợp vừa kiềm vừa acid.Một số nghiên cứu tiêu biểu được thể hiện ở Bảng 1.4

Bảng 1.4 Tóm tắt một số nghiên cứu thu nhận gelatin từ da cá trên thế giới

Nguyên liệu Điều kiện xử lý Điều kiện trích Kết quả Tài liệu

Xử lý da cá bằng dung dịch acid

Cá Dover sole Acid acetic: 50 Nhiệt độ: - Hiệu suất: 21,35% B Gimenez

C, Thời (acid acetic 50 mM); và cộng sự

lactic 25 mM)

- Độ Bloom: 158,7 g(acid acetic 25 mM);

118,17 g (acid lactic 50mM); 11,70 g (acidlactic 50 mM)

Cá da trơn Acid acetic 50 Nhiệt độ: Độ Bloom: da cá khô Haiying Liu

C Khối lượng (2009) [43]giờ phân tử gelatin cao nhất

ở điều kiện: 0,01M trích

ly trong 18 giờ, 220C

Nguyên liệu Điều kiện xử lý Điều kiện trích Kết quả Tài liệu

Cá Ngừ vây Acid acetic 50 Nhiệt độ: - Hiệu suất: da tươi và Pranoto Y và

vàng (Thunnus mM, thời gian 800

C; thời khô tương đương nhau cộng sự

tươi và khô cá/acid = 1/4 lệ da cá/ nước - Độ Bloom da cá khô

(w/v) = 1/3 (w/v) cao hơn (245 g) da cá

tươi (218 g)

Cá Rô phi Acid sulfuric Nhiệt độ: - Cá Rô phi sông Nile: Qiang Zhangsông Nile 0,2%, sau đó 450C, thời hiệu suất: 21,8%; khối và cộng sự

da Trơn = 1/6 (w/v) - Cá da trơn: hiệu suất:

C, thời gian 6 giờ

Cá Rô phi Dung dịch Nhiệt độ: Hàm lượng protein Panida

sông Nile NaOH 0,4%; 700

C; thời chiếm 89,4%; lipid Songchotikun

dung dịch = 1/7 (w/v) độ nhớt đạt 17,8 mPs [105]

NaOH = 1/7(w/v)

Cá da trơn Huyền phù vôi Nhiệt độ: Độ Bloom: 276 g Hai Ying Liu

Nguyên liệu Điều kiện xử lý Điều kiện trích Kết

quả Tài liệu

Sử dụng kết hợp dung dịch kiềm và dung dịch acid để xử lý da cá

Cá da trơn - Dung dịch Nhiệt độ: Hiệu suất và độ Bloom Hongshun

C; Thời cao nhất (24% và 203 g Yang và cộng

phút, lệ da cá/ nước kiện: xử lý bằng NaOH [125]

- Acid acetic = 1/6 (w/v) 0,05M, thời gian 300,1M trong 0÷ phút trước, sau đó dùng

60 phút

Cá Mập - Dung dịch Nhiệt độ: Ở nồng độ NaOH Mina

C; Thời 0,92N và HCl 0,01N Esmaeili

- Acid sulfuric tỷ lệ da cá/ - Hiệu suất: 23,4%; cộng sự(0,01÷1 N) nước = 1/4 - Độ Bloom: 358 g; (2011) [62]

(w/v) - Độ nhớt: 10,2 mPa.s

Cá Ngừ mắt to - Dung dịch Nhiệt độ: Hàm lượng Sukkwai, S

C, 1100C, nhất (76,36%) và độ (2011) [111]

- Acid acetic 1200

C, 1300C Bloom cao nhất (62,60,02M trong 2 Thời gian: 0,5, g) khi trích ly ở 1000

C,giờ 1, 2, 3 giờ 2 giờ

Cá Tầm - Dung dịch Nhiệt độ: Hiệu suất: 19,59%; độ Mehdi Nikoo

(Acipense

r

NaOH 0,1M 500

C; Thời Bloom: 216,2 g; khối và cộng sự

- Dung dịch lệ da cá/ nước 66 kDa; hàm lượng

H3PO4 0,2M = 1/5 (w/v) proline: 5,3% vàtrong 24 giờ, tỷ hydroxyproline: 4,5%

lệ da/ dungdịch = 1/10

Nguyên liệu Điều kiện xử lý Điều kiện trích Kết quả Tài liệu

C; Thời lượng hydroxyproline: Kumar Jakhar

HCl 0,2% trong lệ da cá/ nước lượng phân tử gelatin: (2012) [53]

40 phút = 1/7 (w/v) 56 kDa

Cá Rô phi - Dung dịch Nhiệt độ: - Acid citric (30 mM): Lihong Niu và

C; Thời Hiệu suất: 22,40%, độ cộng sự

- Dung dịch - Acid acetic (180 mM):

acid acetic, Hiệu suất: 21,55%, độacid citric và nhớt: 13 cP;

Mập chó - Dung dịch lệ da cá/ nước Rohu);

giờ;

- Isopropanol

để loại bỏ lipid

Tỷ lệ cá/ dungdịch = 1/10