Tài liệu Nghiên cứu công nghệ làm sạch tạp chất phi collagen trong qui trình sản xuất collagen từ da cá trasử dụng kiềm naoh và nước ấm

i LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình và thầy Nguyễn Thế Hân cùng các thầy cô giáo đã hướng dẫn cho em nhiệt tình và động viên em trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Em xin chân thành cảm ơn 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. Em xin cảm ơn các cán bộ, thầy cô giáo trong khoa chế biến đã giảng dạy và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài. Và đặc biệt, em muốn cảm ơn tới gia đình em, các anh chị và những các bạn đã luôn chia sẻ, ủng hộ em trong những năm tháng học tập và làm đề tài. Xin chân thành cảm ơn ! Nha Trang, tháng 7 năm 2010 Sinh viên thực hiện Vũ Thị Hồng ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ..........................................................................................................i MỤC LỤC ..............................................................................................................ii DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... v DANH MỤC HÌNH, SƠ ĐỒ ..................................................................................vi LỜI MỞ ĐẦU .........................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ...................................................................................3 1.1. TỔNG QUAN VỀ COLLAGEN ..................................................................3 1.1.1. Định nghĩa về Collagen .........................................................................3 1.1.2. Phân loại:...............................................................................................3 1.1.3. Cấu tạo và cấu trúc của Collagen ...........................................................3 1.1.4. Tính chất của collagen ...........................................................................5 1.1.4.1. Thành phần acid amin .....................................................................5 1.1.4.2. Sự hút nước của Collagen................................................................5 1.1.4.3. Sự tương tác của Collagen với acid và kiềm. ...................................6 1.1.4.4. Tính chất bền của Collagen .............................................................7 1.1.4.5. Những tính chất khác của collagen. .................................................7 1.1.5. Ứng dụng của Collagen. ........................................................................8 1.1.5.1. Ứng dụng trong ngành thực phẩm. ..................................................8 1.1.5.2. Ứng dụng trong ngành mỹ phẩm. ....................................................9 1.1.5.3. Ứng dụng trong y học.................................................................... 11 1.1.6. Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước ................................... 12 1.1.6.1. Trong nước.................................................................................... 12 1.1.6.2. Ngoài nước.................................................................................... 12 1.2. TỔNG QUAN VỀ CÁ TRA VÀ DA CÁ TRA........................................... 13 1.2.1. Khái quát chung về cá Tra ................................................................... 13 1.2.1.1. Đặc điểm hình thái. ....................................................................... 13 1.2.1.2. Vị trí và phân loại.......................................................................... 14 1.2.1.3. Đặc điểm sinh học. ........................................................................ 15 iii 1.2.1.4. Thành phần khối lượng và hóa học cá Tra ..................................... 18 2.1.1. Tình hình phát triển ngành nuôi cá Tra và xuất khẩu cá Tra ở Việt Nam ............................................................................................................ 20 2.1.1.1. Xu hướng phát triển nghề nuôi cá Tra ở Việt Nam. ....................... 20 2.1.1.2. Sản lượng nuôi và tình hình xuất khẩu cá Tra ở Việt Nam............. 21 2.1.2. Nguyên liệu da cá Tra.......................................................................... 23 2.1.3. Tổng quan về công nghệ sản xuất Collagen ......................................... 25 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU....................... 27 2.1. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................. 27 2.1.1. Da cá ................................................................................................... 27 2.1.2. Hóa chất .............................................................................................. 27 2.1.3. Thiết bị sử dụng để làm thí nghiệm...................................................... 27 2.2. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 28 2.2.1. Phương pháp thu mua và xử lý mẫu ..................................................... 28 2.2.2. Phương pháp phân tích ........................................................................ 28 2.2.3. Phương pháp xử lý số liệu.................................................................... 29 2.2.4. Phương pháp tối ưu hóa các thông số kỹ thuật ..................................... 29 2.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm ............................................................................... 29 2.3.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định chế độ ngâm nước ấm cho da cá Tra ............................................................................................................ 29 2.3.2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định chế độ xử lý kiềm NaOH cho da cá Tra ............................................................................................................ 31 2.3.2.1. Bố trí thí nghiệm theo phương pháp cổ điển .................................. 31 2.3.2.2. Sơ đồ thí nghiệm tối ưu hóa nồng độ NaOH và thời gian bằng phương pháp qui hoạnh thực nghiệm .............................................................. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ................................ 36 3.1. Kết quả phân tích thành phần hóa học cơ bản của da cá Tra........................ 36 3.1.1. Kết quả phân tích thành phần hóa học của da cá Tra chưa xử lý cơ học ............................................................................................................ 36 33 iv 3.1.2. Kết quả phân tích thành phần hóa học cơ bản của da cá Tra đã xử lý cơ học ............................................................................................................ 36 3.2. KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ XỬ LÝ KIỀM NaOH CHO DA CÁ TRA................................................................................................................... 37 3.2.1. Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng chế độ xử lý kiềm NaOH cho da cá Tra……………… .......................................................................................... 37 3.2.1.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu/dung dịch kiềm NaOH (w/v) đến hiệu quả khử tạp chất phi Collagen....................................................... 37 3.2.1.2. Kết quả thăm dò ảnh hưởng thời gian ngâm da cá trong kiềm NaOH ...................................................................................................... 39 3.2.1.3. Kết quả thăm dò ảnh hưởng của nồng độ kiềm NaOH đến hiệu quả xử lý da cá Tra ..................................................................................... 40 3.3. KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ XỬ LÝ NƯỚC ẤM CHO DA CÁ TRA................................................................................................................... 41 3.3.1. Kết quả thăm dò thời gian ngâm nước ấm ở nhiệt độ 400C, tỷ lệ w/v=1/10 đến hiệu quả xử lý da cá Tra........................................................... 41 3.3.2. Kết quả thăm dò thời gian ngâm nước ấm ở nhiệt độ 500C, tỷ lệ w/v=1/10 để xử lý da cá Tra ........................................................................... 42 3.4. Kết quả tối ưu hóa chế độ xử lý kiềm NaOH cho da cá Tra (cố định w/v=1/8) ............................................................................................................ 44 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN .................................................................... 49 I. KẾT LUẬN: .................................................................................................. 49 II. ĐỀ XUẤT Ý KIẾN: ...................................................................................... 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC v DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Dạng cấu trúc phân tử của một số loại Collagen. ....................................5 Bảng 1.2. Các ứng dụng y học của Collagen. ........................................................ 12 Bảng 1.3. Một số loài trong giống cá Tra (Pagasius) ở Việt Nam ( Mai Đình Yến và các ctv, 1992). .......................................................................................... 15 Bảng 1.4. Thành phần khối lượng cá Tra kích cỡ 1–1.5kg. .................................... 18 Bảng 1.5. Thành phần hóa học của cá (%). ............................................................ 19 Bảng 1.6. Thành phần hóa học cơ bản của cá Tra. ................................................. 19 Bảng 3.1. Thành phần hóa học cơ bản của da cá Tra ban đầu................................. 36 Bảng 3.2. Thành phần hóa học cơ bản của da cá Tra sau khi xử lý cơ học ............. 37 Bảng 3.3. Bố trí thí nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm với biến ảo của công đoạn xử lý kiềm NaOH và kết quả thu được .......................................................... 45 Bảng 3.4. Kết quả tối ưu hóa hiệu suất khử lipid trong công đoạn xử lý kiềm NaOH.................................................................................................................... 47 vi DANH MỤC HÌNH, SƠ ĐỒ Hình 1.1 . Cấu trúc của Collagen .............................................................................4 Hình 1.2. Hình ảnh trạng thái bên ngoài của cá Tra ............................................... 14 Hình 2.1. Nguyên liệu da cá Tra ............................................................................ 27 Hình 3.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ da cá Tra/dung dịch kiềm NaOH (w/v) đến hiệu quả xử lý của da cá Tra.......................................................................................... 39 Hình 3.2. Ảnh hưởng của thời gian ngâm da cá trong kiềm NaOH đến hiệu quả xử lý da cá Tra....................................................................................................... 40 Hình 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ kiềm NaOH đến hiệu quả xử lý da cá Tra ........ 41 Hình 3.4. Ảnh hưởng của thời gian ngâm nước ấm ở nhiệt độ 400C đến hiệu quả xử lý da cá Tra....................................................................................................... 43 Hình 3.5. Ảnh hưởng của thời gian ngâm nước ấm ở nhiệt độ 500C đến hiệu quả xử lý da cá Tra....................................................................................................... 44 Hình 3.6. Hiệu suất khử lipid khi xử lý da cá bằng kiềm NaOH............................. 48 Sơ đồ 1. Sơ đồ tổng quát công nghệ sản xuất collagen từ da cá Tra ....................... 25 Sơ đồ 2. Sơ đồ quy trình bố trí thí nghiệm thăm dò nhiệt độ ngâm da cá Tra trong các thời gian khác nhau ................................................................................ 30 Sơ đồ 3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm thăm dò ảnh hưởng của tỉ lệ (da cá/dung dịch kiềm) w/v đến hiệu quả khử tạp chất phi Collagen................................................. 31 Sơ đồ 4. Sơ đồ bố trí thí nghiệm thăm dò thời gian ngâm NaOH đến hiệu quả khử tạp chất phi Collagen ...................................................................................... 32 Sơ đồ 5. Sơ đồ bố trí thí nghiệm thăm dò nồng độ NaOH đến hiệu quả khử tạp chất phi Collagen................................................................................................... 33 1 LỜI MỞ ĐẦU Collagen là một polyme với bản chất là protein dạng sợi chiếm tới 25% tổng lượng protein trong cơ thể người, có chức năng chính là kết nối các mô trong cơ thể lại với nhau. Các nhà khoa học thường ví Collagen giống như một chất keo dính các bộ phận trong cơ thể người thành một khối hoàn chỉnh, nếu không có chúng cơ thể người sẽ chỉ là các phần rời rạc. [5], [9] Hiện nay Collagen được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: ngành công nghiệp thuộc da, ngành mỹ phẩm, phẫu thuật, nha khoa, thuốc viêm mắt, cũng như các ứng dụng khác trong ngành công nghệ sinh học. Trong ngành mỹ phẩm, người ta sản xuất các chế phẩm từ Collagen, nó được sử dụng như một chất chống lão hóa và tái tạo da rất hiệu quả. Trong y học, nhờ tính chất tái tạo cấu trúc mô, Collagen được sử dụng rộng rãi để sản xuất da nhân tạo thay thế cho phần da chết của các vết bỏng, còn được sử dụng trong điều trị về răng; điều trị sau phẫu thuật chấn thương, chỉnh hình. Nghề nuôi cá Tra, basa ngày càng phát triển mạnh mẽ ở đồng bằng Sông Cửu Long. Tính đến tháng 10 năm 2008, diện tích ao nuôi đã lên đến 5.102 ha, tăng 11% so với năm 2007. Sản lượng cá thu được hơn 1 triệu tấn, trong đó hơn 535.000 tấn cá được xuất khẩu qua 117 quốc gia trên thế giới, đạt kim ngạch xuất khẩu 1,250 tỷ USD. Hiện nước ta có khoảng 168 doanh nghiệp xuất khẩu cá Tra, basa. Các doanh nghiệp này có khả năng tiêu thụ khoảng 4.000 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 vào năm 2008, 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. [25], [34] Qui trình sản xuất Collagen gồm các công đoạn chủ yếu sau: xử lý nguyên liệu Khử tạp chất phi Collagen Chiết Kết tủa Sấy Thành 2 phẩm. Trong đó công đoạn khử tạp chất phi Collagen (lipid, protein phi Collagen, khoáng và sắc tố) là các bước công việc rất quan trọng trong qui trình. Vấn đề cấp bách đặt ra là nghiên cứu tìm môi trường khử tạp chất phi Collagen phù hợp để thu được hiệu quả khử tốt nhất, ít ảnh hưởng đến chất lượng Collagen nhất và thân thiện với môi trường. Xuất phát từ thực tế này, tôi đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ làm sạch tạp chất phi Collagen trong qui trình sản xuất Collagen từ da cá Tra sử dụng kiềm NaOH và nước ấm”. Nội dung của đề tài bao gồm:  Nghiên cứu thành phần hóa học cơ bản của da cá Tra  Nghiên cứu chế độ khử tạp chất phi Collagen trong môi trường nước ấm.  Nghiên cứu chế độ khử tạp chất Collagen trong môi trường kiềm. 1. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Nghiên cứu là cơ sở cho quá trình sản xuất Collagen từ da cá Tra. Nếu quy trình sản xuất Collagen này được hoàn thiện và ứng dụng vào sản xuất sẽ gia tăng giá trị sử dụng nguồn phế liệu da cá này, tăng thu nhập cho nhà sản xuất và giảm tác động xấu đến môi trường, chi phí xử lý chất thải. 2. Ý nghĩa khoa học của đề tài Đề tài cung cấp những kết quả về hiệu suất khử tạp chất phi Collagen trong một số môi trường khác nhau. Kết quả này là tài liệu tham khảo cho nhà nghiên cứu trong việc lựa chọn môi trường xử lý phù hợp để khử protein, lipid và khoáng từ da cá Tra một cách hiệu quả nhất. Thành phần hóa học cơ bản của da cá Tra trước và sau khi xử lý cơ học là thông tin cần thiết cho nhà nghiên cứu trong việc lựa chọn công nghệ phù hợp cho quá trình sản xuất Collagen. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. TỔNG QUAN VỀ COLLAGEN 1.1.1. Định nghĩa về Collagen Collagen là thành phần chính cấu thành các bộ phận của cơ thể người và động vật như da, gân, xương, răng, sụn, dây chằng…Collagen là một loại protein chiếm khoảng 25%-30% tổng lượng protein trong cơ thể động vật có vú, nó có chức năng chính là kết nối các mô trong cơ thể lại với nhau. [5], [8], [9] 1.1.2. Phân loại: Hiện nay, người ta đã tìm thấy 29 loại Collagen khác nhau nhưng đa số là Collagen loại I, II, III, IV và V. Tất cả các loại Collagen đều chứa đơn vị cấu trúc là xoắn bộ ba, nhưng độ dài của xoắn bộ ba là rất khác nhau tùy thuộc vào loại Collagen. Collagen loại I thường là thành phần chủ yếu trong da, gân và xương; trong khi đó, Collagen loại II lại được tìm thấy chủ yếu trong sụn. Các phân tử Collagen loại I, II, III là dạng sợi mỏng, dài có cấu trúc đơn giản. Ngược lại Collagen loại IV lại có cấu trúc phức tạp với dạng mạng lưới 2 cấp. [9] 1.1.3. Cấu tạo và cấu trúc của Collagen Công thức hóa học: C4H6N2O3R2.(C7H9N2O2R)n. [5] Công thức cấu tạo: [5] 4 Cấu trúc phân tử: Hình 1.1: Cấu trúc của Collagen a) Cấu trúc của Collagen b) Cấu trúc của xoắn bộ ba Cấu trúc phân tử của Collagen được mô tả ở hình 1.1. Collagen có cấu trúc rất phức tạp, là một dạng protein cấu trúc sợi dài. Tropocollagen là đơn vị cơ sở của Collagen, có hình trụ đường kính khoảng 1,5nm, chiều dài khoảng 300nm; do 3 chuỗi polypeptid cuộn lại thành. Chuỗi polypeptide có thể là dạng chuỗi alpha 1 (α1) hoặc chuỗi alpha 2 (α2). Trong mỗi chuỗi polypeptid có các đoạn cấu trúc (GlyX-Y)n lặp lại nhiều lần. Trong đó n=5 hoặc 6, X: proteinoline/hidroxyproteinoline , Y: alanine/hidroxyproteinoline. [28] Các phân tử Collagen có thể tương tác với nhau và đàn hồi được là do các cầu đồng hóa trị giữa nhóm -NH2 của gốc hydroxylysine có chứa aldehyd của gốc lysine hoặc gốc hydroxylysine nằm ở phần không xoắn ốc. Dạng cấu trúc của một số loại Collagen được trình bày ở bảng 1.1. 5 Bảng 1.1: Dạng cấu trúc phân tử của một số loại Collagen. [13] Loại Collagen Dạng cấu trúc I [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 Các sợi Collagen loại I có sức bền, chịu căng rất lớn, có thể bị kéo căng, vuốt dài ra mà không bị đứt. Các sợi này có đường kính xấp xỉ 50nm và chiều dài khoảng vài micromet, chúng được tập hợp cạnh nhau trong các bó song song. Các sợi Collagen trong gân liên kết với các bắp thịt và với xương nên bắt buộc chúng phải chịu được một lực mạnh. Có thể ví Collagen loại I cứng hơn thép. [39] 1.1.4. Tính chất của collagen 1.1.4.1. Thành phần acid amin 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 2032%. Sau đó có thể 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. [17], [18] 1.1.4.2. Sự hút nước của Collagen. 6 Collagen không hòa tan trong nước nhưng nó hút nước và trương nở làm tăng thể tích nguyên liệu, làm giảm độ bền liên kết trong phân tử Collagen. Khi hút nước chuỗi cực tính của Collagen bị ion hóa nhẹ do tác dụng lực giữa các phân tử (lực Vandervasl). [5] Cơ chế quá trình hút nước của Collagen như sau: [5] RR O- R H…OH- + H+. . . OH- H3N- CH- CO…NH-CH-CO-NH-CH-C=O R Do nước là phân tử phân cực tác dụng lên liên kết hydro, làm cho mạch vốn có trong kết cấu protein bị suy yếu đi. Collagen kết hợp với nước và trương nở làm 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 độ 2÷3 lần. [5] Khả năng giữ nước của Collagen sản xuất từ phụ phẩm thủy sản lớn hơn rất nhiều so với Collagen sản xuất từ phụ phẩm của động vật trên cạn. [5] 1.1.4.3. Sự tương tác của Collagen với acid và kiềm 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+. COOH NH3+…Cl- NH3+…Cl- COOH COOH NH3+…Cl- NH3+…Cl- COOH 7 Trong điều kiện có kiềm mạnh thì ngược lại gốc amin bị ức chế COO-…Na+ NH2 COO-…Na+ COO-…Na+ NH2 NH2 NH2 COO-…Na+ 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] 1.1.4.4. Tính chất bền của Collagen Nhiệt độ biến tính của Collagen sản xuất từ nguyên liệu khác nhau là rất khác nhau. Hầu hết các Collagen có nhiệt độ biến tính nằm trong khoảng 16-350C. 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 27,10C, trong khi đó nhiệt độ biến tính của Collagen từ gân bò lên đến 360C. 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 16,80C. [9], [15], [18], [19] Collagen trơ với hầu hết các enzym proteaza. Vì vậy, hiện nay các phương pháp thu nhận Collagen chủ yếu vẫn là dùng phương pháp hóa học hoặc kết hợp giữa phương pháp hóa học và enzime (pepsin,...). 1.1.4.5. Những 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 8 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] 1.1.5. 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. Tuy nhiên, với lý do tâm lý và bệnh bò điên nên chúng được sử dụng rất hạn chế. Người ta đã chứng minh được rằng Collagen chiết từ da bò điên có thể gây hại cho da của phụ nữ sử dụng sản phẩm có chứa nguồn Collagen này. Do vậy, Collagen từ da cá là một hướng tiếp cận tiềm năng bởi những ứng dụng và tính an toàn của nó. 1.1.5.1. Ứng dụng trong ngành thực phẩm Khi Collagen được thủy phân đủ ta thu được một loại protein dễ tan trong nước gọi là gelatin. Gelatin được sử dụng trong các ngành công nghiệp như: thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm và công nghiệp nhiếp ảnh. Cả Collagen và gelatin đều có thể sử dụng như một chất phụ gia thực phẩm. Gelatin còn nhiều ứng dụng trong 9 công nghệ thực phẩm, gelatin có chức năng làm khô và bảo quản trái cây, thịt; làm trong cà phê, bia, rượu và nước ép trái cây; chế biến sữa bột và các loại thức ăn bột khác. Gelatin còn làm tác nhân kết dính và/hoặc bao phủ trong thịt và thịt đông. Các hãng làm bánh dùng gelatin làm bánh trứng đường, bánh kem dài và các loại bánh chọn lọc khác. Ngoài ra, gelatin là thành phần cơ bản để sản xuất kẹo dẻo, kẹo mềm. Trong sản xuất kem cần dùng gelatin để duy trì nhũ tương bền của các nguyên liệu và tạo hình cho cây kem. Hàm lượng gelatin dùng trong các món tráng miệng là 8-10% khối lượng khô, trong yoyurt 0,3-0,5% với chức năng là chất làm đặc. Trong kẹo, gelatin giữ vai trò:  Chất tạo bọt: làm giảm sức căng bề mặt của pha lỏng.  Chất ổn định: tạo độ bền cơ học cần thiết tránh biến dạng sản phẩm.  Chất liên kết: liên kết một lượng nước lớn giúp kéo dài thời gian sản phẩm. Đối với kem, gelatin giữ vai trò:  Tạo cấu trúc mềm mại cho sản phẩm.  Ngăn cản quá trình tách lỏng khi làm đông lạnh kêm.  Sử dụng kết hợp với chất ổn định khác nhằm tạo độ tan chậm nhờ điều chỉnh nhớt của hỗn hợp.  Tránh tạo tinh thể đá khi bảo quản. Ngoài ra gelatin giúp cải thiện cấu trúc yaourt đã lên men mà không ảnh hưởng đến vị đặc trưng của sản phẩm. [5] 1.1.5.2. Ứng dụng trong ngành mỹ phẩm Collagen là một loại protein chiếm tới 25% tổng lượng protein trong cơ thể người, có chức năng chính là kết nối các mô trong cơ thể lại với nhau. Các nhà khoa học thường ví Collagen giống như một chất keo dính các bộ phận trong cơ thể người lại thành một khối hoàn chỉnh, nếu không có chúng cơ thể người sẽ chỉ là các phần rời rạc. [5], [8], [9] Collagen là lớp nâng đỡ bên dưới cho bề mặt da, chiếm đến 75% cấu tạo da và 90% cấu tạo biểu bì. Collagen khỏe mạnh sẽ giúp da căng bóng và sáng đẹp, 10 ngược lại Collagen suy yếu sẽ khiến da dễ bị lão hóa. Collagen là một chuỗi liên kết amino acid trong sụn động vật, da, xương…và liên kết các mô trong cơ thể. Với làn da, ngoài nhiệm vụ liên kết nó còn giúp tạo sự đàn hồi và là nhân tố quan trọng nhất giúp con người duy trì sự trẻ trung. [5] Người từ tuổi 25 trở đi, mỗi năm da bị mất 1,5% lượng Collagen sẵn có do quá trình lão hóa và tác động của môi trường; khi đó, cấu trúc Collagen trong cơ thể bắt đầu bị suy thoái. Sự suy thoái Collagen diễn ra tỉ lệ thuận với thời gian: ở tuổi 30, da mất 15% lượng Collagen; ở tuổi 40 da mất 30% lượng Collagen và 45% lượng Collagen sẽ bị thoái hóa ở tuổi 50. Mặt khác, Collagen là thành phần cấu trúc cơ bản của da. Collagen đem lại cho da sự vững chắc, mềm mại và khỏe mạnh, nó giúp duy trì sự đàn hồi và độ ẩm của da. Khi độ tuổi tăng, nếu gặp phải những yếu tố có hại cho da như tia UV từ ánh sáng mặt trời, Collagen rất dễ bị tổn thương. [31] Trước kia muốn sử dụng Collagen các bác sĩ phải lấy chúng ngay trên cơ thể từ vùng này dùng cho vùng khác. Tuy nhiên phương pháp này tốn kém và phức tạp. Ngày nay, các nhà khoa học đã nghiên cứu thành công việc chiết rút Collagen từ da động vật như: bò, lợn, cá da trơn, một số loại thực vật và ứng dụng nguồn Collagen này hiệu quả trong điều trị thẩm mỹ. Như đã phân tích ở trên, Collagen có khả năng giữ nước cho da nên nó được sử dụng là một thành phần quan trọng trong hầu hết các sản phẩm mỹ phẩm. Sản phẩm “Phials of Collagen and Elastin” với các thành phần chính là Collagen từ da lợn, elastin và vitamin F; sản phẩm này giúp kích thích tế bào và sửa chữa các khiếm khuyết ở mô, nhờ đó phục hồi khả năng đàn hồi của da. Ngoài ra, sản phẩm còn có thể điều trị các vết rạn do tăng cân hay mang thai. [32] Sản phẩm “Beautee Collagen Cell Pure” với hàm lượng Collagen nguyên chất là 25%, có khả năng bổ sung và duy trì độ ẩm cho da, cung cấp dinh dưỡng và bảo vệ da chống lại những tác động xấu từ môi trường. Ngoài ra, sản phẩm còn có khả năng xoá bỏ các nếp nhăn nông và cải thiện, làm mờ các nếp nhăn sâu do tuổi tác; phục hồi lại khả năng đàn hồi tự nhiên cho da; ngăn chặn sự hình thành nếp nhăn trên da. [32] 11 1.1.5.3. Ứng dụng trong y học Do Collagen không có hoặc có tính kháng nguyên rất thấp nên chúng hoàn toàn không có độc tố, khả năng tương thích với cơ thể con người cao mà không hề có phản ứng đào thải hay loại bỏ. Nên phần lớn các sản phẩm Collagen nguyên chất đều được chiết xuất trực tiếp từ da động vật: lợn, bò, cừu và cá da trơn được ứng dụng để điều trị da và mắt. Collagen đã được sử dụng rộng rãi trong phẫu thuật thẩm mỹ, làm tái tạo xương, phẫu thuật chỉnh hình và hỗ trợ chữa bệnh cho bệnh nhân bỏng và làm màng bao thuốc… [27], [33] Collagen được làm dưới dạng những miếng nhỏ (có kích thước phù hợp để sản xuất vỏ thuốc hoặc là thành phần của thuốc điều trị bỏng). Các nhà khoa học chứng minh được rằng Collagen có trong các băng y tế có thể điều trị nhanh và hữu hiệu các vết bỏng nông và sâu. Lúc này có thể tạo hình cho nó thành những tấm, miếng 0,5-2 cm để sản xuất vỏ thuốc hoặc thuốc điều trị bỏng hoặc tạo ra kích thước phù hợp để phối trộn vào các kem mỹ phẩm sau khi đã được thanh trùng. Các nhà nghiên cứu cho rằng kể cả những vết bỏng sâu cũng có thể được điều trị nhanh và hữu hiệu nhờ các băng y tế có Collagen. [11] Số lượng các liên kết mạch ngang trong cấu trúc dưới phân tử Collagen có thể điều chỉnh thời gian phân giải của tia UV lên niêm mạc mắt. Vì vậy họ đã nghiên cứu chế tạo các màng bảo vệ mắt. Ngoài ra Collagen còn được ứng dụng trong công nghệ sinh học, Collagen phối hợp với vật liệu nhu mô có thể được sử dụng như một chất mang bề mặt mới trong nuôi cấy tế bào động vật. Theo các nghiên cứu của Lazovic G., Colic M., Grubor M., Jovanovic M. thuộc trung tâm điều trị bỏng ở Serbia, sử dụng màng Collagen đắp lên các vết bỏng nặng có thể giúp phục hồi chúng sau 10 ngày. [12] Tóm lại bên cạnh những ứng dụng trong ngành công nghiệp thuộc da, Collagen được sử dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm, mỹ phẩm, phẫu thuật, nha khoa, thuốc viêm mắt, cũng như các ứng dụng khác trong ngành công nghệ sinh học. Các ứng dụng của Collagen trong y học có thể tóm tắt như bảng sau: 12 Bảng 1.2: Các ứng dụng y học của Collagen. [12] Ứng dụng Dạng Collagen Tác nhân cầm máu Bột, bọt xốp, bông xốp Mạch máu Mạch máu người/động vật đã xử lý, Collagen dạng sợi có khả năng tái tạo. Van tim Van tim lợn đã qua xử lý Gân, dây chằng Gân động vật đã xử lý, hỗn hợp các sợi cacbon-Collagen Băng y tế điều trị bỏng Collagen dạng bọt xốp từ da động vật Giải phẫu trong da Collagen dạng sợi có khả năng tái tạo Hệ thống phân tán thuốc Các dạng có mức phân giải khác nhau 1.1.6. Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.1.6.1. Trong nước Năm 2000 các nhà khoa học của Đại học Cần Thơ đã nghiên cứu chiết rút Gelatin (một chất dẫn xuất của Collagen từ da cá Tra). Trong nghiên cứu này một số tính chất lý hóa của Collagen (độ nhớt, nhiệt độ biến tính, màu sắc, hàm lượng các acid amin, khối lượng phân tử) đã được xác định. Tác giả Võ Quốc Văn và Hà Thanh Toàn (năm 2008) đã nghiên cứu sản xuất gelatin từ da cá Tra. Tạp chí thương mại thủy sản, số 5-6/2008. Tác giả Trần Thị Huyền (năm 2009) đã sử dụng phương pháp hóa học để chiết rút Collagen từ da cá Tra. Chất lượng của Collagen đã được đánh giá thông qua các chỉ tiêu cảm quan. Tuy nhiên trong nghiên cứu này các tính chất hóa, lý, sinh học của Collagen chưa được xác định. 1.1.6.2. Ngoài nước Năm 2004, tác giả Nagai và các cộng sự đã nghiên cứu tách chiết Collagen từ vẩy của một số loài cá bằng axit acetic rồi kết tủa bằng muối NaCl trong môi trường trung tính. Hiệu suất thu Collagen từ vẩy cá mòi là cao nhất (50,9%), từ vẩy cá tráp Nhật Bản là thấp nhất (37,5%). Kết quả phân tích tính chất lý, hóa của Collagen cho thấy Collagen từ vẩy cá gồm hai loại mạch là α1 và α2, và nhiệt độ biến tính Collagen từ vẩy những loài cá này là khoảng 280C. [19] 13 Năm 2005, tác giả Vittayanont và Bebjakul đã đưa ra quy trình chiết Collagen từ chân gà với các công đoạn xử lý bằng acid acetic, enzyme pepsin và kiềm NaOH. Kết quả thu được hàm lượng Collagen là 12,7% so với trọng lượng khô của nguyên liệu, với sự có mặt của enzyme (một loại protease) đã giúp tăng hàm lượng thu Collagen lên tới 9 lần mà không làm thay đổi tính chất đặc trưng của nó. [20] Năm 2006, tác giả Sensrsture và các cộng sự đã nghiên cứu đưa ra quy trình tách chiết Collagen từ da cá cóc với các công đoạn xử lý bằng kiềm kết hợp với enzyme pepsin. Hàm lượng Collagen thu được là 54,3% tính theo trọng lượng của Collagen đã sấy khô đưa trên kết quả phân tích điện di (SDS- PAGE), Collagen từ da cá này chứa 3 mạch xoắn alpha 1, 2, 3 và nhiệt độ biến tính là 280C. [16] Năm 2007, Choi và các cộng sự đã nghiên cứu và đưa ra quy trình chiết Collagen từ da mực với công đoạn xử lý bằng kiềm NaOH. Kết quả cho thấy hiệu suất thu Collagen đạt 70-76%. Nghiên cứu này đã xác định được tính chất lý, hóa của Collagen. Theo đó, nhiệt độ biến tính là 27,30C; khả năng giữ nước là 99,7%, thành phần và số lượng các acid amin và các phân tích cấu trúc của Collagen này. [15] Tác giả Sionkowska và các cộng sự (2009) đã nghiên cứu sử dụng một số phương pháp khác nhau chiết Collagen khác nhau từ gân đuôi chuột và thử nghiệm ứng dụng của chúng trong y học. Kết quả cho thấy sử dụng axit acetic 0,04N trong 48 giờ cho hiệu suất chiết là cao nhất. Collagen thu được chủ yếu là Collagen loại I. [28] 1.2. TỔNG QUAN VỀ CÁ TRA VÀ DA CÁ TRA 1.2.1. Khái quát chung về cá Tra 1.2.1.1. Đặc điểm hình thái 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, có thể chịu đựng được nước phèn có độ pH ≥ 4, dễ chết ở nhiệt độ thấp dưới 150C, nhưng chịu nóng tới 390C. Cá Tra có số lượng hồng cầu 14 trong máu nhiều hơn các loài cá khác. Cá có cơ quan hô hấp phụ, có thể hô hấp bằng bóng khí và da nên nó 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. [1], [4], [22] 1.2.1.2. Vị trí và phân loại Cá Tra là loại cá da trơn, 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. Cá Tra và Basa của nước ta cũng khác hoàn toàn với loài cá nheo Mỹ (Ictalurus punctatus) thuộc họ Ictaluridae. [1], [22] Hình 1.2: Hình ảnh trạng thái bên ngoài của cá Tra Cá Tra ở Việt Nam 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). Khái quát một số giống cá Tra ở Việt Nam được trình bày ở bảng sau: