Tài liệu Nghiên cứu biện pháp tẩy màu cho collagen sản xuất từ da cá tra bằng phương pháp hóa học

i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đồ án này, em đã nhận được sự giúp đỡ quý báu của nhiều người. Cho phép em được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy Nguyễn Anh Tuấn, cô Trần Thị Huyền cùng các thầy, cô giáo đã nhiệt tình hướng dẫn cho em trong quá trình thực hiện đề tài cũng như trong suốt quá trình học tập và rèn luyện tại trường Đại học Nha Trang. Ban Giám hiệu trường đại học Nha Trang, Khoa Chế biến, phòng thực hành công nghệ chế biến, phòng thực hành hóa sinh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và hỗ trợ cho em trong quá trình học tập và thực hiện đề tài nghiên cứu của mình. Gia đình, bạn bè đã luôn giúp đỡ, ủng hộ, động viên em rất nhiều trong những năm tháng vừa qua. Xin chân thành cảm ơn ! Nha Trang, tháng 7 năm 2011 Sinh viên thực hiện Trịnh Đức Thắng ii MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i MỤC LỤC.................................................................................................................. ii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ SƠ ĐỒ ........................................................................ iv DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... iv MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN .......................................................................................2 1.1. CÁ TRA VÀ DA CÁ TRA. .............................................................................2 1.1.1. Khái quát chung về cá Tra........................................................................2 1.1.2. Tình hình nuôi và xuất khẩu cá Tra hiện nay ở Việt Nam. ......................5 1.1.3. Da cá tra....................................................................................................7 1.2. COLLAGEN....................................................................................................8 1.2.1. Khái niệm. ................................................................................................8 1.2.2. Phân loại. ..................................................................................................9 1.2.3. Cấu tạo và cấu trúc. ..................................................................................9 1.2.4. Các tính chất của Collagen.....................................................................11 1.2.5. Ứng dụng của Collagen..........................................................................15 1.2.6. Các nghiên cứu trong và ngoài nước......................................................20 1.3. CÁC BIỆN PHÁP TẨY MÀU CHO THỰC PHẨM....................................21 1.3.1. Các biện pháp vật lý. ..............................................................................21 1.3.2. Các biện pháp hóa lý. .............................................................................22 1.3.3. Các biện pháp hóa học............................................................................22 1.3.4. Các phương pháp khác. ..........................................................................24 CHƯƠNG II ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................25 2.1. ĐỐI TƯỢNG. ............................................................................................25 2.1.1. Da cá Tra. ...............................................................................................25 2.1.2. Hóa chất..................................................................................................25 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. ................................................................27 iii 2.2.1. Phương pháp thu và xử lý mẫu...............................................................27 2.2.2. Phương pháp phân tích. ..........................................................................28 2.2.3. Phương pháp xử lý số liệu......................................................................28 2.2.4. Thiết bị, dụng cụ sử dụng để thực hiện thí nghiệm................................28 2.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm. .................................................................................29 2.3.1. Quy trình nghiên cứu..............................................................................29 2.3.2. Quy trình nghiên cứu tổng quát..............................................................31 2.3.3. Bố trí thí nghiệm tổng quát.....................................................................33 2.3.4. Bố trí thí nghiệm xác định hiệu quả tẩy màu sử dụng Calcium hypochloride......................................................................................................35 2.3.5. Bố trí thí nghiệm xác định hiệu quả tẩy màu sử dụng Hydrogen peroxide. .......................................................................................................................... 36 CHƯƠNG III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN................................38 3.1. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TẨY MÀU BẰNG CALXIUM HYPOCHLORIDE. ............................................................................................................ 38 3.1.1. Kết quả nghiên cứu tại công đoạn sau xử lý Acid..................................38 3.1.2. Kết quả nghiên cứu tại công đoạn sau chiết...........................................41 3.1.3. Kết quả nghiên cứu tại công đoạn sau thu kết tủa..................................42 3.2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TẨY MÀU BẰNG HYDROGEN PEROXIDE. ..........................................................................................................42 3.2.1. Kết quả nghiên cứu tại công đoạn sau xử lý Acid..................................42 3.2.2. Kết quả nghiên cứu sau công đoạn chiết. ...............................................45 3.2.3. Kết quả nghiên cứu sau công đoạn thu kết tủa.......................................46 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN .......................................................................50 I. KẾT LUẬN. .....................................................................................................50 II. ĐỀ XUẤT Ý KIẾN. .........................................................................................50 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................51 PHỤ LỤC..................................................................................................................53 iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1: Một số loài trong giống cá Tra (Pagasius) ở Việt Nam ................... 3 Bảng 1.2: Tỷ lệ khối lượng các thành phần khác nhau của cá Tra. .................. 4 Bảng 1.3: Thành phần hóa học cơ bản của cá Tra. ........................................... 5 Bảng 1.4: Dạng cấu trúc phân tử của một số loại Collagen ........................... 11 Bảng 1.5: Các ứng dụng y học của Collagen.................................................. 19 Bảng 3.1: Kết quả thử nghiệm tẩy màu bằng Ca(ClO)2 sau công đoạn chiết. .........41 Bảng 3.2: Kết quả thử nghiệm tẩy màu bằng Ca(ClO)2 sau công đoạn thu tủa.......42 Bảng 3.3: Kết quả thử nghiệm tẩy màu bằng H2O2 sau công đoạn chiết. ...... 45 v DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1: Trạng thái bên ngoài của cá Tra..................................................................2 Hình 1.2 : Hình ảnh cấu trúc của Collagen ...............................................................10 Hình 2.1: Nguyên liệu da cá Tra ...............................................................................25 Hình 3.1: Ảnh hưởng của nồng độ Ca(ClO)2 tại công đoạn tẩy màu sau xử lý Acid đến màu sắc của Collagen. ........................................................................................38 Hình 3.2: Ảnh hưởng của nồng độ Ca(ClO)2 tại công đoạn tẩy màu sau xử lý Acid đến các tính chất của Collagen..................................................................................38 Hình 3.3: Ảnh hưởng của thời gian xử lý Ca(ClO)2 tại công đoạn tẩy màu sau xử lý Acid đến màu sắc của Collagen. ...............................................................................40 Hình 3.4: Ảnh hưởng của thời gian xử lý Ca(ClO)2 tại công đoạn tẩy màu sau xử lý Acid đến các tính chất của Collagen. ........................................................................40 Hình 3.5: Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 tại công đoạn tẩy màu sau xử lý Acid đến màu sắc của Collagen................................................................................................43 Hình 3.6: Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 tại công đoạn tẩy màu sau xử lý Acid đến các tính chất của Collagen.........................................................................................43 Hình 3.7: Ảnh hưởng của thời gian xử lý H2O2 tại công đoạn tẩy màu sau xử lý Acid đến màu sắc của Collagen. ...............................................................................44 Hình 3.8: Ảnh hưởng của thời gian xử lý H2O2 tại công đoạn tẩy màu sau xử lý Acid đến các tính chất của Collagen. ........................................................................44 Hình 3.9: Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 tại công đoạn tẩy màu sau khi thu kết tủa đến màu sắc của Collagen. ........................................................................................46 Hình 3.10: Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 tại công đoạn tẩy màu sau khi thu kết tủa đến các tính chất của Collagen..................................................................................47 Hình 3.11: Ảnh hưởng của thời gian xử lý H2O2 tại công đoạn tẩy màu sau khi thu kết tủa đến màu sắc của Collagen. ............................................................................48 Hình 3.12: Ảnh hưởng của thời gian xử lý H2O2 tại công đoạn tẩy màu sau khi thu kết tủa đến các tính chất của Collagen. .....................................................................48 1 MỞ ĐẦU Chế biến thủy sản đã và đang là một ngành kinh tế mũi nhọn của nước ta. Trong đó lượng nguyên liệu còn lại trong quá trình chế biến các mặt hàng thủy sản là rất lớn và là lĩnh vực tiềm năng để chúng ta khai thác và phát triển. Cá Tra và Basa hiện được nuôi rất nhiều ở khu vực đồng bằng sông Cứu Long và là một trong những mặt hàng chính của xuất khẩu thủy sản nước ta. Theo tính toán thì nếu sản lượng cá Tra nguyên liệu đạt 1 triệu tấn thì các nhà máy chế biến thủy sản sẽ phải loại bỏ hơn 600.000 tấn phế phẩm cá Tra. Do đó, việc gia tăng giá trị sử dụng nguồn phế liệu này trở thành một yêu cầu cấp thiết nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng của nguyên liệu, tăng thu nhập cho nhà sản xuất và giảm tác động xấu đến môi trường, chi phí xử lý chất thải. Người ta đã chỉ ra rằng da cá là nguồn nguyên liệu để thu Collagen có chất lượng tốt và an toàn cho người sử dụng trong khi đó hướng giải quyết lượng phế liệu này mà mới chỉ dừng lại ở việc xuất khẩu da dưới dạng nguyên liệu thô cho các công ty nước ngoài chế biến tiếp. Do vậy, giá trị kinh tế thu được từ nguồn nguyên liệu dồi dào này chưa cao. Hiện nay cũng đã có một số đề tài khoa học nghiên cứu về Collagen, tuy nhiên sản phẩm thu được có màu sắc không được tốt nên giá trị và giá trị sử dụng của sản phẩm là chưa cao. Xuất phát từ vấn đề thực tiễn này tôi đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu biện pháp tẩy màu cho Collagen sản xuất từ da cá Tra bằng phương pháp hóa học”. Ý nghĩa khoa học của đề tài: Làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về sản xuất và tinh sạch Collagen. Nội dung của đề tài: - Nghiên cứu chế độ tẩy màu thích hợp cho quy trình sản xuất Collagen từ da cá Tra bằng phương pháp hóa học. 2 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN 1.1. CÁ TRA VÀ DA CÁ TRA. 1.1.1. Khái quát chung về cá Tra. Cá Tra thuộc một trong 11 loài thuộc họ cá Tra (Pangasiidae) đã được xác định ở sông Cửu long. Tài liệu phân loại gần đây nhất của tác giả W.Rainboth xếp cá Tra nằm trong giống cá Tra dầu. Hình 1.1: Trạng thái bên ngoài của cá Tra. a. Phân loại. Cá Tra thuộc lớp cá Lưỡng Tiêm ( Pisces ). Bộ cá Nheo Siluriformes. Họ cá Tra Pangasiidae. Giống cá Tra dầu Pangasianodon. Loài cá Tra Pangasianodon hypophthalmus (Sauvage 1878). 3 Bảng 1.1: Một số loài trong giống cá Tra (Pagasius) ở Việt Nam (Mai Đình Yến và các cộng tác viên, 1992) Các loài trong giống cá Tra Việt Nam STT Tên khoa học Tên Việt Nam 1 Pagasius hyphothalmus Cá Tra 2 Pagasius bocourti Cá Basa 3 Pagasius macronema 4 Pagasius larnaudii 5 Pagasius nasutus 6 Pagasius sutchi Cá Tra Nghệ 7 Pagasius taeniurus Cá Bông Lau 8 Pagasius poliranodon 9 Pagasius siamensis Cá Sát Sọc (Tra Nâu) Cá Vồ Đém Cá Sát Bầu (cá Hú) Cá Dứa Cá Sát Siêm b. Đặc điểm hình thái, sinh lý. Cá Tra là cá da trơn (không vẩy), thân dài, lưng xám đen, bụng hơi bạc, miệng rộng, có 2 đôi râu dài. Cá Tra sống chủ yếu trong nước ngọt, có thể sống được ở vùng nước hơi lợ (nồng độ muối 7-10 ), có thể chịu đựng được nước phèn với pH >5, dễ chết ở nhiệt độ thấp dưới 150C, nhưng chịu nóng tới 390C. Cá Tra có số lượng hồng cầu trong máu nhiều hơn các loại cá khác. Cá có cơ quan hô hấp phụ và còn có thể hô hấp bằng bóng khí và da nên chịu đựng được môi trường nước thiếu oxy hòa tan. Tiêu hao oxy và ngưỡng oxy của cá Tra thấp hơn 3 lần so với cá mè trắng.[18] 4 c. Phân bố. Cá Tra phân bố ở lưu vực sông Mêkông, có mặt ở cả 4 nước Lào, Việt Nam, Campuchia và Thái Lan. Ở Thái Lan còn gặp cá tra ở lưu vực sông Mekông và Chao Phraya. Ở nước ta những năm trước đây khi chưa có cá sinh sản nhân tạo, cá bột và cá giống tra được vớt trên sông Tiền và sông Hậu. Cá trưởng thành chỉ thấy trong ao nuôi, rất ít gặp trong tự nhiên địa phận Việt nam, do cá có tập tính di cư ngược dòng sông Mê kông để sinh sống và tìm nơi sinh sản tự nhiên. Khảo sát chu kỳ di cư của cá tra ở địa phận Campuchia cho thấy cá ngược dòng từ tháng 10 đến tháng 5 và di cư về hạ lưu từ tháng 5 đến tháng 9 hàng năm.[18] d. Thành phần khối lượng và thành phần hóa học của cá Tra. Tỷ lệ các thành phần khối lượng của cá Tra phụ thuộc vào trọng lượng cá khi thu hoạch và điều kiện sinh sống của cá. Bảng 1.2: Tỷ lệ khối lượng các thành phần khác nhau của cá Tra.[3] Trọng lượng cá Tra nguyên con (g/con) Tỷ lệ thành phần khối lượng (%) Fillet bỏ da Da Thịt Mỡ lá Nội Đầu +xương tạng +vây+đuôi Cá 1105- 1310 38.7 4.9 10.2 3.1 6.1 36.8 Tra 1356- 1647 38.6 5.0 10.4 4.1 6.2 35.3 nuôi 1695- 1925 37.1 5.1 10.5 4.4 6.2 35.1 bè 1985- 2450 38.0 5.1 10.5 4.9 6.6 34.6 Cá 940- 1430 40.0 4.9 11.0 2.9 5.8 35.5 Tra 1550- 1960 40.0 4.8 11.1 3.0 5.9 34.6 nuôi 2100- 2430 40.0 4.9 11.2 3.0 5.9 34.4 ao 2450- 2680 40.4 5.0 11.4 3.0 5.8 34.4 5 Thành phần hóa học của thịt cá Tra bao gồm: nước, protein, lipid, glucid, khoáng chất, vitamin, enzym, hormon. Cũng giống như những loài thủy sản khác, thành phần hóa học khác nhau về giống loài, trong cùng một loài nhưng sống ở môi trường nước khác nhau thì thành phần hóa học cũng khác nhau. Thành phần hóa học của cá Tra còn phụ thuộc vào mùa vụ, thời tiết khí hậu, nguồn thức ăn, trạng thái sinh lý của cá. Thành phần hóa học ảnh hưởng rất lớn đến giá trị cảm quan và giá trị dinh dưỡng của sản phẩm.[2][5][6] Bảng 1.3: Thành phần hóa học cơ bản của cá Tra.[8] Thành phần dinh dưỡng trên 100g thành phẩm ăn được Tổng năng Chất Tổng Chất béo chưa bão lượng cung cấp đạm lượng chất hòa (có DHA, (calori) (g) béo (g) EPA) (g) 124.520 23.420 3.420 1.780 Cholesterol Natri (%) (mg) 0.025 70.600 Từ bảng 1.3 ta thấy cá Tra là một loài cá béo có hàm lượng dinh dưỡng tương đối cao, cụ thể như tổng năng lượng cung cấp là 124.520 (calori); trong đó hàm lượng protein chiếm tỷ trọng chủ yếu (23.420g), hàm lượng lipid với 3.420g và chất béo không bão hòa chiếm tỷ lệ cao hơn chất béo bão hòa. Vì vậy thịt cá Tra dễ tiêu hóa. Tuy hàm lượng chất béo cao nhưng hàm lượng cholesterol lại thấp (0.025%). Do đó thịt cá Tra dùng làm thực phẩm sẽ rất tốt cho người sử dụng. 1.1.2. Tình hình nuôi và xuất khẩu cá Tra hiện nay ở Việt Nam. Nghề nuôi cá Tra đã và đang rất phổ biến ở nước ta và tập trung chủ yếu ở đồng bằng sông Cửu Long. Tính đến đến 31/12/2010, tổng diện tích nuôi cá tra khoảng 5420 ha, đạt 90.3% kế hoạch năm. Mặc dù diện tích thả nuôi năm 2010 ít hơn năm trước nhưng do năng suất cao, trung bình 6 261.2tấn/ha/vụ, nên sản lượng cá thu hoạch đạt 1141000 tấn, bằng 104.6% so với năm 2009 và đạt 95.1% kế hoạch năm.[18] Địa phương nuôi nhiều nhất là Đồng Tháp với 1872 ha, ít nhất là Kiên Giang 30 ha. So với các năm trước, năm 2010 không có tình trạng dư thừa cá nguyên liệu. Một số địa phương do có cơ chế chính sách tốt nên đã khuyến khích DN chế biến, DN sản xuất thức ăn tham gia nuôi cá tra, nhờ đó diện tích nuôi tăng so với năm 2009, cụ thể là các tỉnh Bến Tre, Cần Thơ và Tiền Giang.[18] Nguyên nhân dẫn đến tổng diện tích nuôi cá tra năm 2010 thấp hơn năm 2009 là do những tháng đầu năm 2010, mặc dù giá bán cá tra nguyên liệu cao hơn năm 2009, dao động từ 14.500 - 16.200 đồng/kg, cùng với nguồn cung khá dồi dào nhưng người nuôi vẫn không có lãi hoặc lỗ do giá vật tư đầu vào tăng cao, đặc biệt là thức ăn. Bên cạnh đó còn do các hộ quy mô nhỏ không có khả năng tái đầu tư nuôi tiếp hoặc chuyển sang nuôi đối tượng khác trong khi những hộ nuôi quy mô lớn lại không mạnh dạn đầu tư do giá cả đầu ra bấp bênh, lợi nhuận thấp hoặc không có lãi nên chỉ nuôi cầm chừng chờ thị trường ổn định mới tiếp tục đầu tư phát triển sản xuất. Ngoài ra, nhu cầu vốn nuôi cá tra rất lớn nên phần lớn cơ sở nuôi cá tra công nghiệp phải vay vốn nhưng việc tiếp cận nguồn vốn ngân hàng bị hạn chế, chỉ đáp ứng 30 - 40% nhu cầu, định mức cho vay thấp, một số ngân hàng không cho vay đáo hạn nên người nuôi phải vay ngoài với lãi suất cao khiến kế hoạch sản xuất luôn bị động do thiếu vốn - đây là một trong những nguyên nhân chính làm giảm số hộ nuôi nhỏ lẻ. Việc thực hiện liên kết giữa người nuôi và nhà chế biến chưa tốt, một số nhà máy chế biến có vùng nguyên liệu khi giá cá nguyên liệu trên thị trường tăng cao đã không thu mua cá của dân hoặc cố tình “làm giá” để ép người nuôi, chậm thanh toán nợ so với hợp đồng mua bán nên người nuôi mất lòng tin vào DN... cũng là những nguyên nhân khiến diện tích nuôi không nhiều bằng năm trước.[18] 7 Cá Tra của nước ta hiện nay xuất khẩu vào rất nhiều thị trường trên thế giới trong đó các thị trường chính là EU, Mỹ, ASEAN, Nga. Năm 2010, ước tính kim ngạch xuất khẩu đạt mức 1.4 tỷ USD, khối lượng xuất khẩu đạt trên 645000 tấn.[20] Trong năm 2010, EU luôn là thị trường nhập khẩu cá tra Việt Nam lớn nhất với 202000 tấn, đạt kim ngạch 462 triệu USD (Tây Ban Nha, Đức, Hà Lan…), chiếm 36% tổng kim ngạch xuất khẩu cá tra. Bên cạnh đó còn có các thị trường lớn như Hoa Kỳ, Nga, Mêxicô…[20] Dự kiến trong năm 2011, sản lượng giống đạt từ 2.5 – 2.06 tỷ con giống cá tra các loại; diện tích nuôi đạt 6000 - 6300ha; sản lượng ước đạt từ 1.2 – 1.3 triệu tấn; kim ngạch xuất khẩu từ 1.45 – 1.55 tỷ USD. Trong kế hoạch dự kiến này, các tỉnh Đồng Tháp, An Giang, Bến Tre, Cần Thơ…vẫn là những địa phương chủ lực trong việc sản xuất và tiêu thụ.[20] 1.1.3. Da cá tra. Trong quy trình sản xuất cá Tra fillet đông lạnh xuất khẩu, lượng phế phẩm, phụ phẩm chiếm trên dưới 70% nguyên liệu, được bán với giá rất rẻ. Ước tính 700000 tấn cá Tra sẽ loại ra được 100000 tấn mỡ và khoảng 50000÷70000 tấn phế liệu da và xương. Như vậy, có thể nói rằng nguồn nguyên liệu da cá rất dồi dào. Kết quả cho thấy Collagen từ da cá Tra đạt những tiêu chuẩn không thua kém từ các nguồn nguyên liệu khác.[19] Hiện nước ta có khoảng 168 doanh nghiệp xuất khẩu cá Tra, cá basa. Các doanh nghiệp này có khả năng tiêu thụ khoảng 4000 tấn nguyên liệu/ngày. Với tỷ lệ này, hằng ngày các nhà máy chế biến thủy sản thải ra môi trường một lượng rất lớn phụ phế phẩm gồm đầu, xương, mỡ, da cá,…Theo ước tính của VASEP (2006), nếu sản lượng cá Tra nguyên liệu đạt 1 triệu tấn trong năm 2008, thì các nhà máy chế biến thủy sản sẽ phải loại bỏ hơn 600000 tấn phế phẩm cá Tra. Do đó, việc gia tăng giá trị sử dụng nguồn phế 8 liệu này trở thành một yêu cầu cấp thiết nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng của nguyên liệu, tăng thu nhập cho nhà sản xuất và giảm tác động xấu đến môi trường, chi phí xử lý chất thải.[25] Da cá là một trong những loại nguyên liệu còn lại chiếm tỷ trọng khá cao, khoảng 4.8 đến 5.1% tùy thuộc vào hình thức nuôi và kích cỡ cá khi thu hoạch. Nếu như mỗi ngày các doanh nghiệp chế biến các sản phẩm cá Tra ở Việt Nam tiêu thụ khoảng 4000 tấn nguyên liệu thì cũng đồng nghĩa với việc họ loại ra khoảng 192 đến 204 tấn da cá Tra. Cho đến nay, hình thức xử lý lượng da cá Tra này mới chỉ dừng lại ở việc một phần rất nhỏ đem chế biến thành thực phẩm như bánh phồng, da cá tẩm gia vị, một phần nhỏ lẻ khác sản xuất Gelatin, còn hầu hết phần lớn lượng da cá này được xuất khẩu đông lạnh với giá thành rất rẻ. Thành phần hóa học của da cá nói chung thường bao gồm khoảng 6070% là nước, một ít chất vô cơ, còn lại là protein và chất béo. Protein của da cá chủ yếu là Collagen, elastin, keratin, rutin, globulin, và albulmin.[1] Như vậy việc nghiên cứu sản xuất Collagen từ da cá Tra là rất cần thiết, nó không những mang lại kết quả kinh doanh tốt mà còn có ý nghĩa rất lớn trong việc phất triển công nghệ, tận dụng một cách hiệu quả những phế liệu của cá Tra, cá basa gia tăng giá trị cho toàn ngành thủy sản đồng thời giảm ô nhiễm môi trường. 1.2. COLLAGEN 1.2.1. Khái niệm. Collagen có bản chất là một protein. Trong tự nhiên, nó được tìm thấy ở động vật, đặc biệt nó tồn tại ở phần thịt cùi và những mô liên kết. Nó là thành phần chính của mô liên kết và là một protein phổ biến ở động vật, nó chiếm từ 25 – 35% tổng hàm lượng protein của cơ thể động vật.[7] 9 1.2.2. Phân loại. Collagen tồn tại ở nhiều bộ phận trong cơ thể. Đã có 29 loại Collagen được tìm thấy và thông báo trong các tài liệu khoa học. Trên 90% Collagen trong cơ thể là dạng I, II, III và IV. Tất cả các loại Collagen đều chứa đơn vị cấu trúc là xoắn bộ ba. Tuy nhiên, độ dài của xoắn bộ ba này và trạng thái tự nhiên cũng như kích thước của những phần không thuộc xoắn bộ ba trên phân tử là rất khác nhau tùy thuộc vào loại Collagen. − Collagen I: có trong da, gân, mạch máu, các cơ quan, xương (thành phần chính của xương). − Collagen II: có trong sụn, xương (thành phần chính của sụn). − Collagen III: có trong bắp (thành phần chính của bắp), tìm thấy bên cạnh Collagen I. − Collagen IV: thành phần chính cấu tạo màng tế bào. Các phân tử Collagen loại I, II, III tập hợp lại với nhau tạo thành dạng sợi mỏng, dài có cấu trúc đơn giản. Ngược lại, Collagen loại IV lại tạo mạng lưới 2 cấp phức tạp hơn. Các loại Collagen khác cũng kết hợp thành dạng sợi liên kết chúng với nhau hoặc liên kết với các thành phần mạng lưới khác.[7] 1.2.3. Cấu tạo và cấu trúc. - Công thức hoá học: C4H6N2O3R2.(C7H9N2O2R)n. [24] - Công thức cấu tạo:[24] - Cấu trúc phân tử Collagen: 10 a) b) Hình 1.2 : Hình ảnh cấu trúc của Collagen a) Cấu trúc của Collagen; b) Cấu trúc của xoắn bộ ba Các nhà nghiên cứu bao gồm Nobel, Watson và Crick, Linus Pauling đã biết được cấu trúc Collagen khi nó mới được phát hiện. Vào năm 1954, cấu trúc xoắn gốc bộ 3 trong nghiên cứu của GN.Ramachandran được xem như đúng và hợp lý, theo kết quả nghiên cứu của ông thì một sợi Collagen là một bó các sợi lớn. Mỗi sợi lớn lại là một bó gồm nhiều sợi nhỏ. Sợi nhỏ lại bao gồm nhiều xoắn bộ ba. Mỗi xoắn này là tập hợp của 3 mạch polypeptid bện lại với nhau, được gọi là đơn vị cấu trúc của Collagen.[27] Đơn vị cấu trúc của phân tử Collagen được gọi là tropocollagen là một dải dài 300nm và có đường kính 1.5nm, tạo thành bởi 3 mạch polypeptid mà mỗi mạch có thể là dạng chuỗi anpha 1 (α1) hoặc chuỗi anpha 2 (α2), có khi có cả chuỗi anpha 3 (α3). Mỗi mạch polypeptid có dạng xoắn ốc từ bên trái, không bị xáo trộn với mỗi xoắn anpha từ bên phải. Một mạch polypeptid chứa 11 chính xác 1050 amino acid. Tất cả các Collagen đều chứa các phân đoạn có xoắn 3 thành phần của cấu trúc đơn giản này. Tính chất công nghệ của mỗi loại Collagen chủ yếu là do sự cắt đứt vòng xoắn bộ 3 và gấp thành các cấu trúc thứ nguyên hay nhờ khả năng các vòng xoắn duỗi ra và tạo các tương tác mạch bên. [23] Một số tổng kết về cấu trúc các loại Collagen như sau: Bảng 1.4: Dạng cấu trúc phân tử của một số loại Collagen [16] Loại Collagen I Dạng cấu trúc [α1]2 α2 [α1]3 II [α1]3 III [α1]3 IV [α1]3 [α1]2 α2 V [α1]2 α2 VI α1 α2 α3 VII [α1]3 VIII [α1]3 IX α1 α2 α3 X - XI [α1]2 α2 1.2.4. Các tính chất của Collagen. a. Khối lượng phân tử. Các Collagen sản xuất từ nguyên liệu khác nhau thì có khối lượng phân tử khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc phân tử của nó. Khối lượng phân tử của 12 Collagen được đo bằng phương pháp SDS-PAGE ( sodium dodecyl sulfatepolyacrylamide electrophoresis) dựa trên cơ sở của phương pháp Laemmli (1970). Qua các tài liệu tham khảo được, tác giả nhận thấy khối lượng phân tử Collagen dao động trong khoảng 14 đến 200 kDa. Sự khác nhau này do cấu trúc sắp xếp trên mạch phân tử Collagen. [8][13] b. Thành phần acid amine. Mỗi phân tử Collagen có chứa khoảng gần 20 loại acid amin khác nhau. Trong đó Glycine thường là acid amin chiếm tỷ trọng lớn nhất, chiếm khoảng 20 - 32%. Tiếp theo là acid amin proline, alanin, arginin hoặc glutamic tùy thuộc vào loại Collagen. Thành phần acid amin ảnh hưởng đến tính chất mạch bên của Collagen. [8][11][12] c. Tính chất bền của Collagen. Nhiệt độ biến tính của các Collagen sản xuất từ nguyên liệu khác nhau là rất khác nhau. Hầu hết các Collagen có nhiệt độ biến tính nằm trong khoảng 16 - 35oC. Collagen sản xuất từ các phụ phẩm thủy sản có nhiệt độ biến tính thấp hơn hẳn so với Collagen sản xuất từ động vật trên cạn. Ví như, Collagen từ da mực có nhiệt độ biến tính 27.1oC trong khi nhiệt độ biến tính của Collagen từ gân bò lên đến 36oC. Collagen từ phụ phẩm của thủy sản sống ở vùng nước lạnh có nhiệt độ biến tính thấp hơn. Cụ thể, Collagen từ da cá Minh thái Alaska chỉ là 16.8oC. [8][12][13] Collagen trơ với hầu hết các enzym proteaza. Vì vậy hiện nay các phương pháp thu nhận Collagen chủ yếu vẫn là phương pháp hóa học hoặc một số lại kết hợp phương pháp hóa học và sinh học.[10][12] d. Sự hút nước.[3] Collagen không hòa tan trong nước, nhưng nó hút nước và trương nở, cứ 100g keo khô có thể hút 200g nước, trong đó có khoảng 70g là nước liên kết và 20g là nước kết hợp rất vững chắc. Phần nước kết hợp liên kết chuỗi là 13 phần nước gốc cực tính ở mạch ngoài của Collagen. Ở các trung tâm thân nước này, vì có nước làm cho mạch chính của Collagen trở nên lỏng lẻo. Khi hút nước chuỗi cực tính của Collagen bị ion hóa nhẹ do tác dụng lực giữa các phân tử (lực Vandervasl). Cơ chế của sự hút nước của Collagen như sau: R H…OH- + H3N- CH- CO…NH-CH-CO-NH-CH-C=O Do nước là phân tử phân cực tác dụng lên liên kết hydro (liên kết phối trí) làm cho mạch vốn có trong kết cấu của protein bị suy yếu đi. Collagen kết hợp với nước và trương nở cho độ dày tăng dần lên khoảng 25% nhưng độ dài tăng lên không đáng kể, tổng thể tích của phân tử Collagen tăng lên khoảng 2 – 3 lần. Kết quả sự suy yếu của mạch chính trong liên kết phối trí của Collagen làm giảm tính bền vững của sợi keo từ 3 – 4 lần. Khi nhiệt độ tăng, tính hoạt động của mạch polypeptid tăng, làm cho mạch bị suy yếu dần và đến mức nào đó bị cắt đứt thành những mạch peptid tương đối nhỏ. Cụ thể khi nhiệt độ tăng lên đến 60 – 650C Collagen hút nước và bị phân giải, nhiệt độ phân giải của Collagen trong nguyên liệu chưa xử lý tương đối cao, khi nguyên liệu đã khử hết khoáng thì nhiệt độ phân giải giảm xuống. Điều này được giải thích là do sau khi xử lý bằng kiềm hoặc acid thì Collagen hút nước, lúc này liên kết trong phân tử Collagen giảm và một phần bị phân giải nên nhiệt độ phân giải của keo bị hạ thấp. 14 e. Tính kháng nguyên. Tính chất này cần được quan tâm khi ứng dụng Collagen trong ngành y học. Hầu hết các nghiên cứu chỉ ra rằng tất cả các loại Collagen đều không có hoặc có tính kháng nguyên rất thấp. Khi sử dụng Collagen từ động vật cho cơ thể người thì Collagen đóng vai trò là kháng nguyên - là những phân tử lạ, thường là protein khi xâm nhập vào cơ thể chủ thì có khả năng kích thích cơ thể chủ sinh ra các đáp ứng miễn dịch đặc hiệu chống lại chúng. Tính kháng nguyên của Collagen là khả năng kết hợp một cách đặc hiệu của Collagen với các sản phẩm cuối cùng của các đáp ứng miễn dịch. Nếu Collagen không có hoặc có tính kháng nguyên rất thấp thì việc thu nạp Collagen của động vật vào cơ thể người làm tác nhân thúc đẩy tế bào biểu mô sinh ra Collagen sẽ trở nên dễ dàng hơn. Điều này mở ra những nghiên cứu ứng dụng Collagen vào y học phong phú hơn.[4] f. Tác dụng với kiềm và acid.[4] Collagen là chất lưỡng tính, nó có thể tác dụng với acid và kiềm, do trên mạch bên của phân tử Collagen tồn tại gốc cacboxyl và gốc amin. Trong điều kiện có acid, ion H+ của acid tác dụng với nhóm COO-, điện tích cacboxyl bị ức chế (hình thành acid yếu có độ ion hóa thấp), ngược lại gốc amin bị ion hóa thành -NH3+. Trong điều kiện có kiềm mạnh thì ngược lại gốc amin bị ức chế Ngoài ra acid, kiềm có thể làm cho Collagen biến đổi như sau: − Cắt đứt mạch muối (liên kết giữa NH3+…COO-) làm đứt mạch peptid trong mạch chính. − Acid amin bị phân hủy giải phóng amoniac. − Điểm đẳng điện của Collagen hạ thấp xuống.[5] 15 g. Một số tính chất khác của Collagen. Collagen có các gốc (-COOH) và gốc (-NH2) trong phân tử do vậy khi ở trong dung dịch muối trung tính, các hợp chất muối được tạo thành. Tác dụng phân giải Collagen bởi NaCl mạnh hơn so với Na2SO4 do khả năng điện ly của NaCl lớn hơn.[5] Tác dụng phân giải Collagen của enzym pepsin mạnh hơn so với enzym tripsin. Điều kiện thích hợp của nó là pH từ 1,65÷1,70, nhiệt độ là 370C. Thực nghiệm cho thấy rằng: Tác dụng của enzym tripsin đối với Collagen tự nhiên rất nhỏ, nhưng đối với Collagen đã qua xử lý như (đun nóng, ngâm trong acid, kiềm, muối, xử lý cơ học…) thì nó có tác dụng phân giải khá mạnh, đặc biệt trong điều kiện thích hợp pH từ 8,1÷8,2, nhiệt độ là 370C.[5] 1.2.5. Ứng dụng của Collagen. Collagen là một loại protein chiếm tới 25%-35% tổng protein trong cơ thể của động vật có vú. Collagen là protein cấu trúc quan trọng trong cơ thể động vật (đặc biệt là da và xương). Dựa trên vai trò cấu trúc và tính phù hợp với cơ thể của Collagen, nên nó dược sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp, thực phẩm, y học và dược phẩm đặc biệt sử dụng làm chất hỗ trợ chức năng của thuốc. Hơn nữa, Collagen được sử dụng rất phổ biến trong công nghệ sản xuất các sản phẩm mỹ phẩm dạng lỏng nhờ vào khả năng giữ nước của nó. Ngày nay, có nhiều nghiên cứu trong việc sử dụng Collagen như một thực phẩm chức năng mà phổ biến nhất ở các nước Đông Á như: Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc. Chúng được sử dụng để bôi hoặc uống, các sản phẩm Collagen sử dụng trong công nghiệp hiện nay chủ yếu được chiết từ da, xương của bò và heo. Da cá cũng là một hướng sản xuất Collagen rất có triển vọng. a. Ứng dụng trong thực phẩm. Khi thủy phân Collagen ta thu được một loại protein dễ tan trong nước gọi là gelatin. Gelatin được sử dụng trong các ngành công nghiệp như: thực