BÀI TIỂU LUẬN TÍNH CHẤT và VAI TRÒ của COLLAGEN TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Vì vậy nhận thấy được nhu cầu về collagen rất lớn trong những nămgần đây thêm vào đó nguồn nguyên liệu da và xương cá để sản xuất collagen của nước ta khá dồi dào, ổn định, giá lại rẻ và

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HCM

MỤC LỤC

I GIỚI THIỆU ………

II TỔNG QUAN………

1 Giới thiệu chung ………

2 Collagen ………

2.1 Cấu trúc và thành phần của collagen………

2.2 Vai trò ứng dụng của collagen trong công nghệ thực phẩm………

3 Collagen thủy phân………

3.1 Chiết xuất và cấu trúc của collagen thủy phân………

3.2 Thuộc tính của collagen thủy phân………

3.3 Vai trò và ứng dụng của collagen thủy phân trong công nghệ thực phẩm………

III KẾT LUẬN………

IV TÀI LIỆU THAM KHẢO………

GIỚI THIỆU

Thế giới ngày nay với sự phát triển không ngừng về kinh tế xã hội và con người.cuộc sống thay đổi theo chiều hướng tốt đẹp hơn, con người được tạo điều kiện pháttriển tối đa khả năng của mình, nhu cầu của con người ngày càng được đáp ứng đầy đủ.Việt Nam là quốc gia có tiềm năng suất khẩu thủy sản rất lớn Tại các nhà máy chếbiến thủy sản, cá tươi được lóc hai miếng phi-lê để chế biến xuất khẩu, phần còn lạichiếm khoảng 60% gồm da, xương, đầu, bụng, mỡ,… Hiện nay mở cá được nghiêncứu ứng dụng làm biodesel hoặc sản xuất thô sang Trung Quốc, các phần còn lại đượcsản xuất thành bột cá làm thức ăn gia súc Nếu như phế phẩm của các ngành côngnghiệp này chỉ được chế biến thành bột thức ăn gia súc hay các dạng sản phẩm thô, giátrị thấy thì hiệu quả kinh tế mang lại không cao hoặc nếu như loại bỏ chúng thì phải tốnthêm chi phí cho việc xữ lý chất thải Trong khi đó thành phần chính trong da, xương làcollagen có rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp mỹ phẩm, dược phẩm và gần đâyđược ứng dụng khá nhiều trong công nghiệp thực phẩm Cho nên việc ứng dụng cácphụ phẩm này vào nhiều ngành khác nhau đặc biệt là trong công nghệ thực phẩm có ýnghĩa quan trọng Vì vậy nhận thấy được nhu cầu về collagen rất lớn trong những nămgần đây thêm vào đó nguồn nguyên liệu da và xương cá để sản xuất collagen của nước

ta khá dồi dào, ổn định, giá lại rẻ và có tiềm năng phát triển khá cao nên em quyết địnhchọn đề tài tiểu luận “ tìm hiểu về tính chất và vai trò ứng dụng của collagen trongcông nghệ thực phẩm” với mong muốn góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế và bảo vệmôi trường

Collagen là protein phong phú nhất trong nguồn gốc động vật Nó giúp duy trì cấutrúc của các mô và cơ quan khác nhau Nó là một thực phẩm hiện đại và được sử dụngrộng rãi trong các ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống để cải thiện độ đàn hồi,tính nhất quán và tính ổn định của sản phẩm Hơn nữa, nó cũng nâng cao chất lượng,giá trị dinh dưỡng và sức khỏe của sản phẩm Collagen đã được áp dụng như chất bổ

sung chế độ ăn uống protein, chất mang, phụ gia thực phẩm, màng ăn được và lớpphủ Do đó, bài viết này sẽ xem xét, tìm hiểu các tính chất chức năng và vai trò ứngdụng của collagen trong ngành công nghiệp thực phẩm

TỔNG QUAN

1 Giới thiệu chung

Collagen là protein quan trọng nhất được sản xuất bởi cơ thể con người, nó được hìnhthành chủ yếu bởi amino axit glycine (33%), proline và hydroxyproline (22%) (cấu trúcchính) trong chuỗi xoắn ba chiều được hình thành bởi ba chuỗi α Mỗi chuỗi alphađược cấu tạo cho 1014 axit amin với trọng lượng phân tử khoảng 100 kDa Các chuỗinày được cuộn thành một chuỗi xoắn trái với ba axit amin mỗi lượt (cấu trúc thứcấp) Các chuỗi được xoắn xung quanh nhau thành một chuỗi xoắn ba để tạo thành mộtcấu trúc cứng nhắc (cấu trúc bậc ba) Siêu xoắn đại diện cho cấu trúc collagen cơ bản(Cấu trúc bậc bốn) Cấu trúc collagen này rất ổn định vì hydro nội phân tử liên kết giữaglycine trong chuỗi liền kề Phân tử collagen được hình thành cho một vùng xoắn ba vàhai vùng noelelical ở hai đầu của cấu trúc xoắn với trọng lượng phân tử ≈300 kDa, 280chiều dài nm và đường kính 1,4nm [1-3]

Gần 28 loại collagen đã được xác định, nhưng collagen loại I là phổ biến nhất trong da,xương, răng, gân, dây chằng, dây chằng mạch máu và các cơ quan Collagen loại II cómặt trong sụn Đối với collagen loại III da, cơ và mạch máu là nguồn phổ biến nhất củaprotein này Loại IV đã được báo cáo trong lớp biểu mô của màng đáy và các lamina

cơ bản Collagen loại V là một trong những thành phần chính của bề mặt tế bào vànhau thai [ 4-9]

Chiết xuất collagen có thể được thực hiện bằng cách xử lý bằng axit hoặc kiềm[52] Chiết xuất trong điều trị axit thường được áp dụng để chiết xuất collagen loại I từcác mô của nhím hoặc nguồn gốc da cá [53] Acetic axit là thuốc thử phổ biến nhất đểchiết xuất collagen Nồng độ của axit này sẽ ảnh hưởng đến giá trị pH cuối cùng thayđổi cấu trúc và tương tác tĩnh điện Nó cũng xác định độ hòa tan và khả năng khai thác

từ mô động vật [54] Một sự kết hợp của cả điều trị axit và enzyme tạo ra một quá trìnhchiết xuất collagen cao hơn và hiệu quả hơn [55] Pepsin có thể được lấy từ niêm mạc

dạ dày nhím Enzyme này ảnh hưởng đến vùng telopeptid trong phân tử collagen tăng

độ hòa tan của nó trong môi trường axit [56] Việc sử dụng siêu âm như một phươngpháp thay thế cho collagen chiết xuất không làm thay đổi phân tử và tạo điều kiện chohoạt động của enzyme Công nghệ này có thể áp dụng trong các mô khác nhau như da

cá và gân bò để sản xuất collagen cao hơn nồng độ trong thời gian chiết ngắn hơn [57]

2 Collagen

2.1 Cấu trúc và thành phần của collagen

Collagen là một protein hình thành ba chuỗi xoắn của ba chuỗi polypeptide trong matrận ngoại bào Mỗi chuỗi bao gồm hàng ngàn axit amin dựa trên trình tự Gly-X-Y Vịtrí X và Y hầu hết được tìm thấy là proline và hydroxyproline (Gelse, 2003; Cheng etal., 2009; Parenteau-Bareil et al., 2010; Liu et al., 2012) Một liên kết hydro liên chuỗigiữa glycine và nhóm amide trong chuỗi liền kề là yếu tố chính trong việc ổn địnhchuỗi xoắn ba collagen (Matmaroh et al., 2011) Nó là một protein ưa nước vì hàmlượng axit amin axit bazơ, bazơ và hydroxyl hóa nhiều hơn so với dư lượng lipophilic.Collagen có cấu trúc phân tử phức tạp và tương tác với nhau ở các cấp độ khác nhautạo thành cấu trúc bậc cao hơn với các tính năng đặc biệt

Collagen đã được chứng minh là khác nhau trong thành phần axit amin của chúng, đặcbiệt là proline và hydroxyproline Glycine, proline và hydroxyproline là các axit aminquan trọng nhất trong collagen, chiếm 50% tổng hàm lượng protein (Huo và Zhao,2009; Matmaroh et al., 2011) Hàm lượng proline và hydroxyproline đặc biệt quantrọng đối với hiệu ứng keo Trong khi đó, hydroxyproline được cho là có vai trò duynhất trong việc ổn định chuỗi xoắn ba sợi do khả năng hydro hóa của nó thông quanhóm -OH Hơn nữa, người ta cũng nhận thấy rằng tổng hàm lượng chuỗi Gly-Pro-Hyp là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng điều nhiệt của collagen(Gómez-Guillén et al., 2011)

2.2 Vai trò ứng dụng của collagen trong công nghệ thực phẩm

Ngày nay, collagen đã trở thành thành phần nhu cầu đối với sự phát triển thực phẩmlành mạnh Sản xuất collagen trong cơ thể giảm theo tuổi tác và chế độ ăn uống xấu Vìtiêm collagen không phải là một sở thích của hầu hết mọi người, sự thay thế tốt nhấttiếp theo để có được collagen là thông qua chế độ ăn uống Do đó, collagen đã đượcpha trộn với nhau trong nhiều loại thực phẩm và đồ uống.

cơ thể của người dùng (Wong, 2010; King 'ori, 2011) Các chất chuyển hóa củacollagen tập hợp xương, da và dây chằng bằng cách thu hút các nguyên bào sợi tạo ra

sự tổng hợp collagen mới Nó phát triển đường kính của các sợi collagen trong lớp hạ

bì và sự gắn kết của các sợi collagen ở da Do đó, độ dày, sự dẻo dai và khả năng phụchồi, cũng như hydrat hóa của các mô sẽ được tăng cường (King 'ori, 2011)

Nutricosologists thường được cung cấp dưới dạng chất lỏng, thuốc viên hoặc thựcphẩm chức năng (Wong, 2010) Do đó, nhà sản xuất đồ ăn nhẹ địa phương, Munchy ,

đã giới thiệu 'Wheat Krunch Collagen ' để thúc đẩy sự tốt lành của collagen Bánh quynướng được bổ sung collagen biển chứa khoảng 1200 mg collagen (Khuyết danh,2011) Collagen có thể thúc đẩy chức năng của lớp hạ bì và biểu bì da bằng cách tăngkhả năng hấp thụ nước của lớp da ngoài cùng Hydrat hóa các mô da liên quan trực tiếpđến sự mịn màng và giảm nếp nhăn (King 'ori, 2011)

Bổ sung collagen có thể tăng cường tăng cơ nạc, giảm thời gian phục hồi, tái cấutrúc cấu trúc khớp bị tổn thương và cải thiện hoạt động tim mạch Điều này đạt đượcbằng cách thúc đẩy collagen creatine tự nhiên, một axit amin thiết yếu trong tăng

trưởng cơ bắp mới sau khi tập luyện Arginine trong collagen thủy phân cũng thúc đẩykhối lượng cơ bắp (King 'ori, 2011) Do đó, collagen là nhu cầu trong lĩnh vực dinhdưỡng thể thao.

Collagen làm phụ gia thực phẩm

Phụ gia thực phẩm đề cập đến chất được thêm vào thực phẩm trong quá trình chếbiến để cải thiện màu sắc, kết cấu, hương vị hoặc chất lượng Các ví dụ là chất chốngoxy hóa, chất nhũ hóa, chất làm đặc, chất bảo quản và chất tạo màu Collagen được sửdụng làm chất phụ gia thực phẩm, giúp cải thiện tính chất lưu biến của xúc xích vàfrankerer cũng như đảm bảo sự hiện diện của các sợi dinh dưỡng động vật với lượngvừa đủ (Neklyudov, 2003) Thịt chứa nguyên liệu thô được bổ sung collagen hoặc cácphần phân đoạn của nó có thể tăng cường các đặc tính công nghệ và lưu biến của

nó Bổ sung collagen vào hepwurst hoặc dán giúp cải thiện chất lượng sản phẩm vàgiảm tỷ lệ xuất hiện của mũ chất béo

Santana et al (2011) cho rằng chất xơ collagen được xử lý nhiệt có tiềm năng tốt để

sử dụng làm chất nhũ hóa trong ứng dụng thực phẩm, đặc biệt là trong các sản phẩm cótính axit Độ ổn định, cấu trúc vi mô và lưu biến của nhũ tương dầu trong nước đượcđánh giá Sự phân tách pha và kích thước giọt của các nhũ tương được điều chế đã làmgiảm nồng độ protein và giảm giá trị pH, cho phép tạo ra các nhũ tương ổn định tĩnhđiện ở pH axit Các nhũ tương axit bằng cách đồng nhất áp suất cao cho thấy các giọt

có độ phân tán thấp hơn và giảm sáu lần so với các nhũ tương chính trong đường kínhtrung bình bề mặt Theo Gray (2011), sợi collagen ổn định nhiệt có thể là sự thay thế tựnhiên cho chất nhũ hóa tổng hợp để sử dụng trong các công thức thức ăn và thức uống

có tính axit Quá trình gia nhiệt dưới axit làm giảm điện tích protein và tăng độ hòa tanprotein trong nước, điều này có thể làm giảm tương tác dầu-protein Kết quả là, cácnhũ tương chính được cấu tạo bởi sợi collagen được xử lý nhiệt có chỉ số kem và tỷ lệnhũ tương cao hơn (Santana et al , 2012)

Collagen chân vịt đã được thêm vào bream threadfin và sardine surimi để nghiêncứu tác dụng của nó trên các tính chất hóa lý Bổ sung collagen dẫn đến một sự cảithiện đáng kể về tính chất của surimi Bên cạnh việc cải thiện độ bền của gel và độcứng của gel, collagen có thể cải thiện điểm kiểm tra gấp và độ sáng màu Nghiên cứukhuyến nghị rằng collagen sẽ là một cơ sở thay thế của phụ gia protein để phát triểnchất lượng surimi (Huda et al , 2013) Hơn nữa, việc bổ sung collagen chân gà cho sảnxuất thạch cũng được báo cáo là có sự sẵn sàng và chấp nhận tốt từ người tiêu dùng(Almeida et al , 2012).

Collagen như màng ăn được và lớp phủ

Màng và lớp phủ ăn được là những vật liệu ăn được áp dụng trên hoặc trong thựcphẩm thành các lớp mỏng bằng cách bọc hoặc ngâm, đánh răng hoặc phun Ứng dụngchính của màng collagen là màng chắn để bảo vệ chống lại sự di chuyển của oxy, độ

ẩm và chất hòa tan, cung cấp tính toàn vẹn cấu trúc và tính thấm hơi cho các sản phẩmthực phẩm ( Bourtoom, 2008; Dahm, 2011) Hơn nữa, màng ăn được trong các sảnphẩm thực phẩm có triển vọng lớn để kéo dài thời hạn sử dụng của thực phẩm

Collagen trong đồ uống

Ngày nay, đồ uống truyền collagen là một xu hướng khác trên thị trường toàncầu Có rất nhiều sản phẩm được phát hành bởi các nhà sản xuất như collagen đậunành, collagen ca cao, collagen cappuccino, nước ép với collagen và nước yến sàouống với collagen Tree (2012) đã đề xuất một loại nước tăng lực được truyền collagen

để giúp thúc đẩy khả năng tự nhiên của cơ thể để tạo ra các mô mỡ Thông thường,thức uống collagen tuyên bố sẽ kích thích cơ chế tạo collagen trong cơ thể, từ đó sẽthúc đẩy các mô cơ thể và giảm nếp nhăn da và chảy xệ

Ở Malaysia, một số tổ chức đã tiến hành nghiên cứu và phát triển về đồ uốngcollagen Công ty sữa Malaysia (MDI) đã bổ sung peptide collagen trong thức uốngdinh dưỡng bổ dưỡng của họ (Soo và Tan, 2009) Nó chứa chất xơ prebiotic và được

bổ sung 500 mg peptide collagen và 30 mg vitamin C Các peptide collagen được dùng

làm thành phần cần thiết để tổng hợp collagen Ngoài ra, vitamin C đã được thêm vàotrong thức uống như một chất chống oxy hóa và coenzyme quan trọng trong quá trìnhsinh tổng hợp collagen Do đó, thức uống của Vit Vitagen Collagen đã được tạo ra đểkích thích sự phát triển của vi khuẩn đường ruột có lợi và tỏa ra vẻ đẹp từ bên ngoài làn

da sâu Ngoài ra, Avon cũng đã pha chế thức uống Collagen Avon Life Marine FishPeptide, một thức uống mang tính cách mạng được làm từ collagen peptide cá tự nhiên

và chất lượng cao từ da cá hồi, vitamin C và fructo-oligosacarit (Najumudeen, 2012;Anonymous, 2012) Theo Yacoubou (2011), Nestle Malaysia cũng đã phát hành mộtđối tác cơ thể Nescafe, Kacip Fatimah và Collagen Coffee có chứa collagen từ nguồncá

3 Colagen thủy phân

3.1 Chiết xuất và cấu trúc của collagen thủy phân

Từ hình 1, có thể thấy rằng sự biến tính của collagen tự nhiên tạo ra ba chuỗi α tronghình thức cuộn ngẫu nhiên của chúng Nó có thể được quan sát bằng cách xử lý nhiệtcollagen trên 400C Một lần các chuỗi được tách ra, quá trình thủy phân được thực hiệnbởi tác động của các enzyme phân giải protein (alcalase, papain, pepsin,…) Sản phẩmthu được thường được gọi là collagen thủy phân Nó bao gồm các peptide nhỏ có trọnglượng phân tử thấp 3–6 KDa [10,11] Độ hòa tan và hoạt động chức năng của nó(chống oxy hóa, kháng khuẩn) có liên quan đến loại và mức độ thủy phân cũng nhưloại enzyme được sử dụng trong quá trình [12,13] Một loại thủy phân khác là sử dụngcác sản phẩm hóa học trong axit [14] (axit axetic, axit clohydric và axit photphoric)hoặc môi trường kiềm [15] Hai loại chiết xuất này có tính ăn mòn mạnh và tạo ra nồng

độ muối cao trong sản phẩm cuối cùng sau khi trung hòa [16] Các phương pháp chiếtxuất khác bao gồm xử lý nhiệt [17] hoặc áp dụng nhiệt độ và áp suất cao cho protein

Nó bao gồm mực nước hạ nhiệt (SCW) tồn tại ở nhiệt độ từ 100 đến 374◦C và áp suấtdưới 22 MPa [18,19]

Hình 1: Sự biến tính của collagen tự nhiên thành các peptide nhỏ có trọng lượng phân

tử thấp [10]

3.2 Thuộc tính của collagen thủy phân

Đặc tính của collagen tự nhiên rất khác với collagen thủy phân như minh họa ở bảng

1 Sau khi biến tính, cấu trúc xoắn ba của collagen tự nhiên thay đổi thành dạng cuộnngẫu nhiên do sự phân ly của các liên kết hydro khi collagen bị thủy phân Điều trị này

có thể phá vỡ các liên kết trong chuỗi polypeptide để thu được một số lượng lớnpeptide Trọng lượng phân tử của các peptide collagen thu được từ quá trình thủy phân

là rất thấp (3–6 KDa) so với tiền chất của nó (285–300KDa) Sự thủy phân enzymekhông chỉ kích thước của các peptide mà còn cả các đặc tính hóa lý và sinh học[20,21] Độ nhớt là một trong những tính chất hóa lý của collagen; dạng nguyên sinhcho thấy giá trị cao hơn do lực đẩy tĩnh điện mạnh hơn giữa các chuỗi phân tử ngay cả

ở nồng độ thấp của dung dịch collagen Tuy nhiên, dạng thủy phân của nó cho thấy độ

nhớt rất thấp bất kể nồng độ vì trọng lượng phân tử thấp của các phân đoạn chuỗinhỏ[22] Tính chất tĩnh điện của protein như điểm đẳng điện (pI) là các thông số quantrọng liên quan đến tỷ lệ dư lượng axit amin và dư lượng axit amin cơ bản trongprotein Collagen là một đại phân tử lưỡng tính sở hữu giá trị pI trong khoảng từ 7 đến

8 Trong quá trình thủy phân, giá trị pI được chuyển sang các giá trị thấp hơn giữa 3,68

và 5,7 Sự thay đổi này sẽ phụ thuộc vào trình tự axit amin và phân phối dư lượng axitamin theo loại hoặc thời gian thủy phân [23,24] Thành phần và mức độ thủy phâncollagen là các yếu tố làm tăng các đặc tính chức năng như khả năng chống oxy hóa,hoạt động kháng khuẩn và khả dụng sinh học cao hơn Các tính chất này có liên quanchủ yếu đến giá trị trọng lượng phân tử Nó làm cho collagen thủy phân hoạt động nhưmột nhà tài trợ điện tử để tạo ra các sản phẩm ổn định hơn phản ứng với các gốc tựdo[25,26]

Collagen tự nhiên thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp vì nó có khảnăng tương thích sinh học và khả năng phân hủy sinh học tuyệt vời, khả năng miễndịch thấp và tính linh hoạt cao để chế tạo màng Tuy nhiên, Collagen thủy phân có khảnăng hòa tan cao trong nước nhưng không thể tự tạo màng Cần kết hợp nó với cácchất sinh học khác[27,28] Collagen thủy phân có một số lợi thế so với collagen tựnhiên Một số trong số chúng bao gồm tải trị liệu cao hơn, hiệu quả chi phí và khôngyêu cầu quy trình chiết xuất nhiều bước, dễ tiêu hóa và dễ dàng hấp thụ và phân phốitrong cơ thể con người[28,29] Hơn nữa, nó thể hiện độ nhớt thấp hơn trong dung dịchnước, mùi trung tính, không màu, trong suốt, nhũ hóa và ổn định, tạo bọt, tạo màng, độ

ẩm, độ hòa tan, độ phân tán, khả năng nén bột, chất mang và ít gây dị ứng [30]

Collagen peptide (collagen thủy phân) có thể được sử dụng như một thành phần để

bổ sung thực phẩm chức năng bởi vì chúng có tác dụng chống oxy hóa [31,32] và chấtlượng của nó phụ thuộc vào phương pháp được sử dụng để trích xuất nó [ 29] Cácpeptide này đã cho thấy khả năng liên kết các ion Ca+ thúc đẩy khả dụng sinh học vàlàm cho nó tương thích hơn với cơ thể con người [33,34] Trong khoa học thực phẩm,