BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT COLLAGEN TỪ PHỤ PHẾ PHẨM DA CÁ TRA ĐỂ ỨNG DỤNG VÀO CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM S K C 0 9 MÃ SỐ: T2014 - 54TĐ S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, 2014 TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA VÀ THỰC PHẨM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG TRỌNG ĐIỂM ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT COLLAGEN TỪ PHỤ PHẾ PHẨM DA CÁ TRA ĐỂ ỨNG DỤNG VÀO CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Mã số: T2014 - 54TĐ CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: TS.NGUYỄN TIẾN LỰC TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2014 MỤC LỤC Trang bìa i Mục lục ii Danh mục bảng iii Danh mục hình iii Thông tin kết nghiên cứu MỞ ĐẦU CHƢƠNG I TỖNG QUAN………………………………………………………… 1.1 Giới thiệu collagen ….9 1.1.1 Collagen 1.1.2 Cấu tạo phân tử 10 1.1.3 Thành phần hóa học collagen 16 1.1.4 Phân loại collagen 17 1.1.5 Tính chất hóa lý 17 1.1.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến collagen 18 1.1.7.Ứng dụng collagen………………………………………… ……………….20 1.2 Giới thiệu cá tra .24 1.2.1 Cá tra 24 1.2.2 Thành phần khối lượng dinh dưỡng cá tra 26 1.2.3 Tình hình chế biến xuất cá tra 29 1.3 Nguồn nguyên liệu collagen 31 1.3.1 Nguồn nguyên liệu da cá tra 31 1.3.2 Cấu tạo da cá 31 1.3.3 Thành phần hóa học 32 1.3.4 Ưu điểm đặc tính collagen trích ly từ da cá 33 1.4 Các vấn đề trình tách chiết collagen 34 1.4.1 Sự phá vỡ tế bào 34 1.4.2 Phương pháp tinh collagen 35 1.4.3 Làm khô bảo quản chế phẩm collagen 36 1.5 Tình hình nghiên cứu collagen 37 1.5.1 Tình hình nghiên cứu nước 37 1.5.2 Tình hình nghiên cứu nước 38 CHƢƠNG 2.NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 41 2.1 Nguyên liệu 41 2.1.1 Da cá 41 2.1.2 Các hóa chất dụng cụ thí nghiệm 41 2.2 Phương pháp nghiên cứu 42 2.2.1 Phương pháp xử lý da cá 42 i 2.2.2 Khảo sát trình tách chiết collagen 45 2.2.3 Tối ưu hóa trình tách chiết collagen 47 2.3 Phương pháp phân tích 49 2.3.1 Phương pháp lấy mẫu………………………………………………………… 49 2.3.2 Phương pháp phân tích 49 2.3.3 Phân tích hàm lượng lipid da 49 2.4 Phương pháp định lượng collagen 50 2.5 Phương pháp xử lý số liệu 53 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 54 3.1 Thành phần hóa học tính chất nguyên liệu da cá tra 54 3.2 Nghiên cứu xử lý làm tinh da cá 55 3.2.1 Xử lý da cá NaOH 55 3.2.2 Xử lý da cá LasNa NaOH 1% 57 3.2.3 Xử lý da cá H2O2 59 3.3 Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tách chiết collagen 61 3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ acid acetic 61 3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ dung dịch acid acetic/da cá 61 3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng thời gian tách chiết collagen 62 3.4 Tối ưu hóa trình tách chiết collagen 64 3.5 Xây dựng quy trình công nghệ sản xuất collagen……………………………… 68 3.5.1 Quy trình công nghệ……………………………………………………… ……68 3.5.2 Giải thích quy trình………………………………………………… …… … 69 3.6 Đánh giá chất lượng collagen…………………………………………………….70 3.6.1 Kết collagen sau tinh 70 3.6.2 Sản phẩm collagen sau tủa muối 71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 PHỤ LỤC 78 ii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Sự phân bố acid amin chuỗi polypeptide 10 Bảng 1.2 Thành phần hóa học thịt cá tra 26 Bảng 1.3 Thành phần acid amin thịt cá tra 27 Bảng 1.4 Thành phần hóa học mỡ cá tra…………………………………… 28 Bảng 1.5 Thành phần acid béo mỡ cá tra so với mỡ heo…………………….28 Bảng 1.6 Thống kê sản lượng cá tra giai đoạn 2000- 2010…………………… 30 Bảng 2.1 Danh mục hóa chất sử dụng 41 Bảng 2.2 Thời gian lấy mẫu xử lý da cá .43 Bảng 2.3 Thời gian lấy mẫu tẩy màu da cá 44 Bảng 2.4 Các mức khoảng biến thiên yếu tố 47 Bảng 2.5 Số liệu để xây dựng đường chuẩn hydroxyproline 51 Bảng 3.1 Thành phần tính chất da cá tra 54 Bảng 3.2 So sánh thành phần hóa học loại da cá……………………… 55 Bảng 3.3 Kết xử lý da cá H2O2 60 Bảng 3.4 Các mức khảng biến thiên yếu tố 64 Bảng 3.5 Ma trận qui hoạch thực nghiệm yếu tố toàn phần 65 Bảng 3.6 Thành phần collagen thành phẩm 70 Bảng 3.7.Một số tiêu chuẩn collagen ứng dụng thực phẩm mỹ phẩm 70 iii DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc da collagen 10 Hình 1.2 Trật tự xếp acid amin collagen 11 Hình 1.3 Cấu trúc phân tử collagen (triple helix) 11 Hình 1.4 Cấu trúc procollagen 12 Hình 1.5 Sự hình thành liên kết ngang .12 Hình 1.6 Cấu trúc sợi collagen 13 Hình 1.7 Quá trình tổ hợp tạo sợi phân tử collagen .14 Hình 1.8 Sự xếp phân tử collagen sợi 14 Hình 1.9 Hình (a) bó sợi hình (b) sợi collagen 15 Hình 1.10 Cấu trúc bó sợi collagen 16 Hình 1.1 Sản phẩm phomat có chứa collagen hydrolysate 20 Hình 1.12 Sản phẩm kẹo dẻo có vỏ màng collagen hydrolysate 21 Hình 1.13 Collagen hydrolysate làm chất kết dính kẹo 21 Hình 1.14 Sản phẩm thịt nguội, nước uống có chứa collagen hydrolysate 22 Hình 1.15 Cá tra (Pangasius hypophthalmus) 24 Hình 1.16 Cấu tạo da cá 31 Hình 1.17 Khả hấp thụ collagen trích ly từ cá lợn 34 Hình 1.18 Giai đoạn đầu cuối trình thẩm tích 36 Hình 2.1 Da cá sau rã đông 42 Hình 2.2 Da cá đông lạnh…………………………………… ……………42 Hình 2.3 Quy trình tiền xử lý da cá nguyên liệu .42 Hình 2.4 Ngâm da cá dung dịch tẩy tạp chất 43 Hình 3.5 Thí nghiệm chọn nồng độ H2O2……………………………………… 44 Hình 2.6 Quy trình tách chiết collagen acid acetic 45 Hình 2.7 Phân tích đối tượng công nghệ 48 Hình 2.8 Đồ thị đường chuẩn hydroxyproline 51 Hình 3.1 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ NaOH theo thời gian 56 Hình 3.2 Ảnh hưởng NaOH đến xử lý non-collagen da cá 57 Hình 3.3 Khảo sát ảnh hưởng LasNa theo thời gian.……………………… 58 Hình 3.4 Ảnh hưởng LasNa đến xử lý non-collagen da cá……………….…59 Hình 3.5 Da cá ban đầu (trái) sau tách béo (phải) 60 Hình 3.6 Da sau tách béo (trái) sau tẩy màu (phải) 61 Hình 3.7 Ảnh hưởng nồng độ acid acetic đến hiệu suất tách chiết collagen 61 Hình 3.8 Ảnh hưởng tỷ lệ acid acetic/da cá đến hiệu suất tách chiết collagen 62 Hình 3.9 Ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất tách chiết collagen 63 Hình 3.10 Bề mặt đáp ứng hiệu suất collagen .67 Hình 3.11 Quy trình công nghệ sản xuất collagen từ da cá…………………… 68 Hình 3.12 Dung dịch collagen trước (trái) sau (phải) kết tủa… 71 iv TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc KHOA CN HOÁ VÀ THỰC PHẨM Tp Hồ Chí Minh, Ngày 05 tháng 11 năm 2014 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung - Tên đề tài: Nghiên cứu công nghệ sản xuất collagen từ phụ phế phẩm da cá tra để ứng dụng vào công nghệ thực phẩm - Mã số: T2014 - 54TĐ - Chủ nhiệm: TS NGUYỄN TIẾN LỰC - Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh - Thời gian thực hiện: Từ tháng 2/2014 đến 12/2014 Mục tiêu Tận dụng da cá tra vốn phụ phẩm ngành chế biến cá tra fillet, nâng cao giá trị kinh tế, giảm thiểu lượng thải bỏ, giảm ô nhiễm môi trường Collagen loại protein có nhiều chức năng, nhằm ứng dụng vào công nghệ thực phẩm, nâng cao giá trị cá tra Đồng sông Cửu Long Tính sáng tạo - Tối ưu hoá trình tách chiết collgen xác lập mối quan hệ mật thiết toán học công nghệ làm giàu collagen, sở khoa học để lựa chọn chế độ công nghệ cho trình chế biến collagen từ da cá tra - Xác định thành phần tính chất da cá tra, đặc biệt thành phần collagen, kết nghiên cứu sở cho việc xây dựng công nghệ sản xuất collagen từ da cá Kết nghiên cứu - Đã xác định chế độ tinh da cá, LasNa 0,5% NaOH 1%, với thời gian giờ, tỉ lệ v/w 10/1 điều kiện nhiệt độ 60C cho kết tốt, hàm lượng tạp chất non-collagen giảm 2,31% Thành phần da cá sau xử lý có hàm lượng hydroxyproline 7,2 %, chất hữu 19,33% khoáng 0,14% - Sử dụng H2O2 1% môi trường NaOH 0,5N để tẩy sắc tố da cá khử mùi thời gian nhiệt độ 60C cho khả tẩy mùi tốt - Khi tách chiết collagen môi trường acid acetic nồng độ khác nhau, hiệu suất tách chiết collagen có mối quan hệ mật thiết ảnh hưởng yếu tố nồng độ acid acetic, thời gian tách chiết tỷ lệ dung dịch axid acetic/da cá - Tối ưu hóa trình tách chiết collagen cho thấy mô hình toán biểu đạt rõ trình tách chiết collagen Để hiệu suất tách chiết collagen đạt giá trị cao nhất, với tỷ lệ dung dịch acid acetic/da cá 13/1; nồng độ acid acetic 0,58M thời gian tách chiết 26 hiệu suất tách chiết collagen đạt giá trị cực đại 72,9% Kết sở lựa chọn điều kiện tối ưu để sản xuất collagen từ phụ phẩm da cá tra với chất lượng tốt nhất, tạo sản phẩm collagen có màu sắc trắng ngà, cấu trúc sợi mềm mại đáp ứng chất lượng collagen thực phẩm - Đã tạo Collagen từ da cá tra sản phẩm có màu sắc trắng ngà, hàm lượng hữu 92,07%, Hàm lượng protein 89,42% hàm lượng lipid 1,89% hàm lượng ẩm 6,9% hàm lượng khoáng 0,14% pH 6,5 – 6,7 sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng collagen thực phẩm Sản phẩm  Một báo khoa học đăng tạp chí: Khoa học công nghệ, Bộ Nông nghiệp phát triển nông thôn “Nghiên cứu yếu tố nâng cao hiệu suất tách chiết colagen từ da cá tra”  Công nghệ sản xuất collagen từ da cá tra  Sản phẩm collagen  Báo cáo khoa học Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết nghiên cứu khả áp dụng Ý nghĩa khoa học - Gắn đào tạo lý thuyết giảng dạy thực tế sản xuất - Nâng cao trình độ cán tham gia nghiên cứu - Xác định thành phần, tính chất collagen - Tối ưu hóa trình tách chiết collagen cho thấy mô hình toán biểu đạt rõ trình tách chiết collagen Kết sở lựa chọn điều kiện tối ưu để sản xuất collagen từ phụ phẩm da cá tra với chất lượng tốt nhất, tạo sản phẩm collagen có màu sắc trắng ngà, cấu trúc sợi mềm mại đáp ứng chất lượng collagen thực phẩm Ý nghĩa Kinh tế, xã hội - Xây dựng dây chuyền công nghệ chế biến sản phẩm từ cá tra - Đa dạng hóa sản phẩm, tạo sản phẩm có giá trị gia tăng - Tạo mặt hàng nâng cao giá trị hàng chế biến xuất Phương thức chuyển giao Chuyển giao công nghệ thiết bị, hướng dẫn vận hành tạo sản phẩm collagen từ da cá Khả áp dụng Khả áp dụng chuyển giao công nghệ cho tổ chức cá nhân có yêu cầu Trƣởng Đơn vị (ký, họ tên) Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) NGUYỄN TIẾN LỰC UNIVERSITY OF TECHNICAL EDUCATION HO CHI MINH CITY SOCIALIST OF REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom – Happiness DEPARTMENT OF FOOD AND CHEMISTRY TECHNOLOGY Ho Chi Minh City, 05th of November 2014 INFORMATION ON RESEARCH RESULTS General Information - Project title: Research of collagen production technology from Pangasius fish skin to apply in food technology - Code Number: T2014 - 54TĐ - Coordinator: Dr NGUYEN TIEN LUC - Implementing Institution: HCMC University of Technology and Education - Duration: From February 2014 to December 2014 Objective(s): Utilized the Pangasius fish skin, which is used to be byproduct from manufacture process of Pangasius fillet in order to increase the economic, reduce the waste and environment protection Collagen from fish skin is the particular protein, which contents many functions and is applied to food technology to enhance the value of Pangasius in the Mekong Delta Creativeness and innovativeness: - The optimization of the extracting process of collagen has established the close relationship between mathematics and enriching technology of collagen This is a scientific basic to select the technology mode for the manufacturing process of collagen from Pangansius fish skin - Determined the compositions and properties of Pangasius fish skin, particularly in compositions of collagen The research result is the standard to create the production technology of collagen from pangasius fish skin Research Result - Determined the purification mode of fish skin by using 0.5% LasNa in 1% NaOH, in hours, the v/w ratio of 10/1 under 60C The result was good that reduce the amount of impurities and non-collagen to 2.31% The content of fish skin after treatment has 7.2% of hydroxyproline, 19.33% of organs and 0.14% of minerals - Using 1% H2O2 in 0.5N NaOH to remove the color and smell of fish skin The best result of experiment is in hours and under temperature of 60C - When extracting collagen in acid acetic under different of concentration, the efficiency of extraction process of collagen has a close relationship and is affected by three elements They are the concentration of acid acetic, extraction time and the ratio of acetic acid liquid to fish skin - The optimization of the extraction process of collagen showed that the mathematical models described clearly the extracting process of collagen The efficiency of extracting collagen reached maximum of 72.9% under these conditions: the ratio of acetic acid liquid to fish skin of 13/1; concentration of acetic acid of 0.58 M; extraction time of 26 hours This result is the basic to select the optimal conditions to manufacturing collagen from Pangasius fish skin in best quality The collagen final product has white color, gentle fiber structure that satisfies the quality of collagen in food - Created the Collagen from pangasius fish skin consisting of 92.07% organs; 89.42% protein; 1.89% lipid; 6.9% moisture; 0.14 minerals and pH of 6.5- 6.7 The product meets the high standard of quality Products - Scientific paper published in magazine: Science and Technology - Ministry of Agriculture and Rural Development: “Research the factors to enhance the efficiency of extracting collagen from pangasius fish skin” - Extracting technology of collagen from pangasius fish kin - Collagen product - Scientific report Effects, transfer alternatives of research results and applicability The scientific meaning: - Training combination of teaching theory and productive practice Raising the level of the staff involved in the research Determined the components and properties of Collagen The optimization of the extraction process of collagen showed that the mathematical models described clearly the extracting process of collagen This result is the basic to select the optimal conditions to manufacturing collagen from Pangasius fish skin in best quality The collagen final product has white color, gentle fiber structure that satisfies the quality of collagen in food Significance of Economic and Social: - Setting up processing line of new products from Pangasius fish - Diversifying and creating value-added products - Creating new products and enhancing the value of export processing Transfer method: Transfer of technology and equipment, operating instructions and creating Collagen products from Pangasius fish skin The applicability: The ability to apply and technology transfer to requested organizations and individuals requested Head of Department (signature, full name) Coordinator (signature, full name) NGUYEN TIEN LUC MỞ ĐẦU Collagen loại protein, thành phần mô liên kết, chiếm 70% trọng lượng khô da, gân sụn Collagen collagen thủy phân gọi collagen hydrolysate sử dụng thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm công nghiệp nhiếp ảnh Chúng sử dụng chất đông, chất gây lắng thực phẩm Collagen dùng để làm vỏ bao xúc xích, màng bọc kẹo, làm nguyên liệu sản xuất số loại thực phẩm dinh dưỡng, thực phẩm chức Do collagen có tính tan chảy nhiệt độ cao đông đặc nhiệt độ thấp, nên collagen đóng vai trò chất keo bảo vệ ngăn chặn kết tinh đường Trong sản phẩm thực phẩm, người ta thêm vào hàm lượng collagen hydrolysate nhằm ngăn chặn nước Ngoài ra, sản phẩm bơ sữa, collagen đóng vai trò quan trọng việc tạo độ mịn, độ sánh cho sản phẩm, thay hàm lượng chất béo loại thực phẩm Trong công nghiệp sản xuất kẹo mứt, collagen hydrolysate sử dụng làm chất tạo gel, chất kết dính, tạo xốp, làm chậm trình tan kẹo, sản phẩm thịt hộp, thịt nguội… collagen hydrolysate chiếm từ 1-5% giúp giữ hương vị tự nhiên sản phẩm, đồng thời chất kết dính giúp cho việc tạo hình sản phẩm dễ dàng hơn, công nghiệp sản xuất rượu bia nước hoa quả, collagen hydrolysate sử dụng làm chất “làm trong” với tỉ lệ 0,002-0,15% Đối với da cá tra có chứa hàm lượng lớn protein, chủ yếu là collagen, ra, da cá tra sau xử lý loại màu, mùi protein phi collagen cho thấy có chất lượng tốt: không mùi tanh, màu trắng bảo nguyên hàm lượng collagen Collagen từ da cá có nhiều đặc điểm tốt collagen từ da động vật nên việc sử dụng collagen da cá vào thực phẩm, y học mỹ phẩm ngày ứng dụng rộng rãi Trên giới, phần lớn công trình tập trung vào nghiên cứu tách chiết collagen từ gia súc heo, bò, gà, nghiên cứu loài cá năm 2000 Nagai, Suzuki, nghiên cứu trình tách chiết collagen từ phụ phẩm da, xương, vây loài cá ngừ (Katsuwonus pelamis), cá pecca Nhật Bản (Lateolabrax japonicus), hiệu suất tách chiết đạt hiệu suất tương đối cao 51,4% Sử dụng phương pháp điện di SDS-PAGE theo phương pháp Weber Osborn (1969) để xác định chuỗi collagen gồm chuỗi α khác nhau, α1, α2 tồn chuỗi β hai loài cá Năm 2002, Nagai, Araki, Suzuki tiếp tục phát triển phương pháp tách chiết collagen da loài cá (Takifugu rubripes) enzyme pepsin, hiệu suất chiết enzyme (44,7%) cao chiết acid acetic (10,7%) Phân tích chuỗi collagen: collagen da cá gồm chuỗi α, β, γ Năm 2004 Chin Ying Hiao đưa quy trình chiết collagen có sử dụng trình lên men vi khuẩn Bacillus Năm 2005 Kittiphattanabawon, Benjakul, tách chiết collagen da xương loài cá vàng (Priacanthus tayenus) Năm 2007 Hwang, Mizuta, Yokoyama, Yoshinaka có nghiên cứu tách chiết collagen da loài cá đuối (Raja kenojei) acid acetic enzyme pepsin, đồng thời sử dụng sắc kí cột phosphocellulose column chromatoghraphy Năm 2009 Zhang, Liu, Li, có nghiên cứu loài cá da trơn largefin longbarbel (Mystus macropterus) Ở Việt Nam, nghiên cứu collagen nghiên cứu collagen từ cá da trơn nước Một số công trình nghiên cứu gần dây có năm 2008, tác giả Lê Thị Hồng Nhạn có nghiên cứu loài cá basa trình tách chiết collagen, phương pháp áp dụng chiết acid citric hiệu suất thấp khoảng 5,76% Năm 2010 Ngô Hồng Bảo Châu cộng nghiên cứu chiết tách collagen từ da cá tra acid acetic có bổ sung enzym pepsin, bước đầu ứng dụng phương pháp tách béo dung môi CO2 siêu tới hạn Kết tách béo 70% (tính trọng lượng khô) xác định collagen da cá tra có khối lượng phân tử khoảng từ 50÷200 kDa, gồm chuỗi α, β, γ… Cá tra (Pangasius hypophthalmus) loài cá nuôi có quy mô lớn Đồng sông Cửu Long, cá tra nhiều thị trường ưa chuộng màu sắc thịt trắng, thịt cá thơm ngon so với loài cá nước khác Trong thành phần dinh dưỡng, hàm lượng protein cá tra từ 16 - 21%, hàm lượng lipid từ 1,5-2,5% giàu chất khoáng Da cá tra có hàm lượng collagen cao với nhiều đặc điểm tốt động vật cạn, Theo kết điều tra nhà máy chế biến, tỷ lệ cá tra fillet chiếm khoảng 30% lại 70% phế phẩm gồm đầu, xương, da, thịt vụn, nội tạng, mỡ da cá chiếm từ - 7% Hàng năm Việt Nam xuất 600.000 thịt cá tra fillet có khoảng 80.000 da cá thải phế phẩm, dễ gây ô nhiễm lãng phí Có nghịch lý nước ta phải nhập collagen nguồn nguyên liệu để sản xuất collagen da cá tra lại doanh nghiệp xử lý phế phẩm bán với giá rẻ,… Hiện nay, đơn vị muốn sử dụng collagen phải nhập với giá cao (khoảng 25-30 USD/kg) Đối với ngành thực phẩm dược collagen quan trọng, nguyên liệu để sản xuất nước uống collagen, loại thuốc chống lão hóa, tăng đàn hồi da, xương… collagen/gelatin dùng làm vỏ bao thuốc “con nhộng” v.v… Việc không sử dụng da cá tra chế biến làm collagen Việt Nam gây lãng phí, vừa làm ô nhiễm môi trường, vừa làm giảm giá trị cá tra Việt Nam giá xuất thịt cá fillet chưa 1/10 so với giá nhập collagen Từ phân tích cho thấy việc “Nghiên cứu công nghệ sản xuất collagen từ phụ phế phẩm da cá tra để ứng dụng vào công nghệ thực phẩm” cần thiết cấp bách Mục tiêu đề tài Tận dụng da cá tra vốn phụ phẩm ngành chế biến cá tra fillet đông lạnh, nâng cao giá trị kinh tế, giảm thiểu lượng thải bỏ, giảm ô nhiễm môi trường Collagen loại protein có nhiều chức năng, nhằm ứng dụng vào công nghệ thực phẩm, nâng cao giá trị cá tra Đồng sông Cửu Long Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu thành phần da cá, phương pháp xử lý nguyên liệu Phân tích thành phần da cá, khảo sát trình loại béo, tạp chất non-collagen NaOH LasNa để chọn phương pháp chế độ khử tạp chất tốt - Nghiên cứu phương pháp tách chiết collagen Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thu nhận collagen: khảo sát ảnh hưởng thời gian, nồng độ acid acetic tỉ lệ dung dịch/da ca đến hiệu suất tách chiết collagen - Tối ưu hóa hiệu suất collagen Sử dụng thuật toán tối ưu xác định yếu tố ảnh hưởng đến trình hiệu suất collagen Từ tìm thông số tối ưu để hiệu suất thu nhận collagen đạt hiệu suất thu hồi cao nhất, làm sở khoa học chọn chế độ công nghệ sản xuất collagen - Xây dựng quy trình công nghệ tiêu chuẩn chất lượng sản phẩm Xây dựng thông số kỹ thuật cho công đoạn, đánh giá chất lượng sản phẩm cảm quan, thành phần hoá học xây dựng tiêu chuẩn chất lượng collagen Phƣơng pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, kết hợp nghiên cứu hóa sinh có hỗ trợ công cụ toán học thuật toán tối ưu để phát tính chất mối quan hệ đại lượng, xử lý thống kê với hỗ trợ phần mềm Microsoft Excel, lập trình Matlab V.7.01 kiểm chứng thực tế Kết nghiên cứu - Thành phần hóa học da cá tra có hàm lượng protein 30,14% hàm lượng lipid 5,4% hàm lượng ẩm 65,82% Hydroxyproline 34,64% chất vô 0,42% - Để tinh da cá cần xử lý LasNa 0,5% NaOH 1% với thời gian giờ, tỷ lệ dung dịch/da cá 10/1 điều kiện nhiệt độ 60C cho kết tốt, hàm lượng tạp chất non-collagen giảm 2,31% Sử dụng H2O2 1% môi trường NaOH 0,05M để tẩy sắc tố da cá khử mùi da cá tốt - Tách chiết collagen môi trường acid acetic nồng độ khác nhau, hiệu suất tách chiết collagen có mối quan hệ mật thiết ảnh hưởng yếu tố nồng độ acid acetic, thời gian tách chiết tỷ lệ dung dịch axid acetic/da cá - Tối ưu hóa trình tách chiết collagen cho thấy mô hình toán biểu đạt rõ trình tách chiết collagen Với tỷ lệ dung dịch acid acetic/da cá 13/1; nồng độ acid acetic 0,58M thời gian tách chiết 26 hiệu suất tách chiết collagen đạt giá trị cực đại 72,9% - Đã xây dựng quy trình công nghệ sản xuất collagen từ da cá tra, tạo collagen từ da cá tra sản phẩm có màu sắc trắng ngà, hàm lượng hữu 92,07%, protein 89,42% lipid 1,89% độ ẩm 6,9% khoáng 0,14% pH 6,5 – 6,7 sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng collagen thực phẩm Sản phẩm  Một báo khoa học đăng tạp chí tính điểm từ 0-1 điểm: Khoa học công nghệ, Bộ Nông nghiệp phát triển nông thôn “Nghiên cứu yếu tố nâng cao hiệu suất tách chiết colagen từ da cá tra”  Công nghệ sản xuất collagen từ da cá tra  Sản phẩm collagen Tính sáng tạo - Tối ưu hoá trình tách chiết collgen xác lập mối quan hệ mật thiết toán học công nghệ làm giàu collagen, sở khoa học để lựa chọn chế độ công nghệ cho trình chế biến collagen từ da cá tra - Xác định thành phần tính chất da cá tra, đặc biệt thành phần collagen, kết nghiên cứu sở cho việc xây dựng công nghệ sản xuất collagen từ da cá tra CHƢƠNG I TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU VỀ COLLAGEN 1.1.1 Collagen Collagen loại protein, thành phần mô liên kết, chúng thành phần chiếm tỷ trọng cao da, gân sụn Collagen collagen thủy phân gọi collagen hydrolysate sử dụng thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm công nghiệp nhiếp ảnh Chúng sử dụng chất đông, chất gây lắng thực phẩm Collagen dùng để làm vỏ bao xúc xích, màng bọc kẹo, làm nguyên liệu sản xuất số loại thực phẩm dinh dưỡng, thực phẩm chức Do collagen có tính tan chảy nhiệt độ cao đông đặc nhiệt độ thấp, nên collagen đóng vai trò chất keo bảo vệ ngăn chặn kết tinh đường Trong sản phẩm thực phẩm, người ta thêm vào hàm lượng collagen hydrolysate nhằm ngăn chặn nước, đồng thời tạo độ mịn, độ sánh cho sản phẩm, thay hàm lượng chất béo loại thực phẩm Trong công nghiệp sản xuất kẹo mứt, collagen hydrolysate sử dụng làm chất tạo gel, chất kết dính, tạo xốp, làm chậm trình tan kẹo, sản phẩm thịt hộp, thịt nguội collagen hydrolysate chiếm từ 1-5% giúp giữ hương vị tự nhiên sản phẩm, đồng thời chất kết dính giúp cho việc tạo hình sản phẩm dễ dàng hơn… Như collagen thành phần mô liên kết, chiếm 70% trọng lượng khô da, gân sụn Collagen loại protein bao gồm có ba chuỗi polypeptide (α- peptide) riêng biệt xoắn lại với giống sợi dây thừng Mỗi sợi collagen gồm có hàng nghìn phân tử amino acid, chủ yếu gồm có glycine, proline hydroxyproline Mỗi phân tử collagen có khối lượng trung bình khoảng 100÷300 kDa, chiều dài khoảng 300nm, đường kính 1,5nm Phần lớn collagen mạng lưới ngoại bào tìm thấy dạng sợi, bao gồm sợi mảnh, nhỏ, thông qua trình tạo sợi, phân tử collagen tổ hợp với hình thành nên vi sợi (microfibril) bao gồm từ 4÷8 phân tử collagen với số lượng nhiều tạo thành sợi (fibril) Collagen loại protein chúng có đầy đủ tính chất lý hóa protein biến tính, tính kỵ nước, khả kết tủa thuận nghịch, không thuận nghịch, tính hydrat hóa, tính chất dung dịch keo Theo đánh giá Hulmes [50] Wolfgang [75] cho cấu trúc đại phân tử khác hình thành từ kiểu collagen xác định có tính di truyền riêng biệt Quá trình tiến hóa làm gia tăng nhiều kiểu collagen qua thay đổi trình tự acid amin bảo tồn cấu trúc đặc trưng chung chức sinh hóa khác thể cấu trúc da collagen biểu diễn hình 1.1 sau Hình 1.1 Cấu trúc da collagen 1.1.2 Cấu tạo phân tử [64] Collagen loại protein tương đối đơn giản gồm có ba chuỗi acid amin riêng biệt xoắn lại với giống sợi dây thừng Mỗi sợi collagen gồm có hàng nghìn phân tử amino acid, chủ yếu gồm có glycine, proline hydroxyproline Các acid amin xếp chuỗi xoắn ốc theo dãy với phân bố chuỗi polypeptide [64] bảng 1.1 sau: Bảng 1.1 Sự phân bố acid amin chuỗi polypeptide STT Triplet Tỉ lệ Gly-X-X 0.44 Gly-X-Y 0.2 Gly-Y-X 0.27 Gly-Y-Y 0.09 Trong đó, Y acid amin (proline hydroxyproline), X acid amin khác Glycine chiếm gần 1/3 tổng số acid amin phân bố cách 10 đặn vị trí 1/3 xuyên suốt phân tử collagen Do glycine có nhánh phụ nhỏ nên lặp lại cho phép chuỗi polypeptide kết hợp chặt chẽ với hình thành nên đường xoắn ốc với khoảng trống nhỏ phần lõi trật tự xếp acid amin collagen [55] hình 1.2 Hình 1.2 Trật tự xếp acid amin collagen Cấu trúc phân tử [28,33,36] Hình 1.3 Cấu trúc phân tử collagen (triple helix) Phân tử collagen (hình 1.3) hay gọi tropocollagen phần tử nhỏ, chúng tập hợp thành phần tử lớn sợi, sau hình thành bó collagen Mỗi phân tử collagen có khối lượng trung bình khoảng 100÷300 kDa, chiều dài khoảng 300 nm, đường kính 1,5 nm, tạo thành chuỗi polypeptide (αpeptide) collagen có cấu trúc bậc Mỗi chuỗi có hình dạng đường xoắn ốc 11 theo hướng từ phải sang trái Ba chuỗi xoắn lại với hình thành cuộn có hướng từ trái sang phải, gọi triple helix hay super helix [66] Chuỗi α- peptide gồm có vùng: Vùng lớn vùng xoắn ốc nằm giữa: chuỗi acid amin Gly – X – Y, Gly – pro – Ohpro vùng telopeptide đầu (gồm 1625 acid amin): phần lysine (các liên kết đồng hóa trị) [72] Hình 1.4 Cấu trúc procollagen chuyển từ procollagen sang tropocollagen Hình 1.5 Sự hình thành liên kết ngang Đầu tiên ba sợi collagen xoắn lại theo kiểu xoắn ốc xung quanh sợi hình thành nên ba Sau ba ba bắt với xoắn chung quanh ba để hình thành nên sợi siêu cáp Mỗi sợi liên kết với để tiến lại gần liên kết ngang Sự kết hợp gọi 12 collagen siêu xoắn Cấu trúc ba chiều phức tạp định chức sinh học collagen [72, 75] Collagen có bậc cấu trúc đó: - Bậc 1: chuỗi polypeptide tạo từ khoảng 1050 acid amin khác (có khoảng 20 loại), cấu trúc phổ biến glycine -X-Y Trong X, Y thường proline, hydroxyproline - Bậc 2: hình thành nên chuỗi xoắn α nhờ liên kết hydro với nguyên tắc amino acid có liên kết hydro Ngoài ra, có loại cấu trúc bậc dạng - Bậc 3: cấu trúc dựa sở cấu trúc bậc có thêm số liên kết chuỗi polypeptide liến kết hydro, liên kết ion, liên kết disulfide, liên kết vander Waals - Bậc 4: cấu trúc phân từ collagen (còn gọi tropocollagen) Tạo nên từ chuỗi xoắn ốc α Cấu trúc sợi collagen Phần lớn collagen mạng lưới ngoại bào tìm thấy dạng sợi, bao gồm sợi mảnh, nhỏ Thông qua trình tạo sợi, phân tử collagen tổ hợp với hình thành nên vi sợi (microfibril) bao gồm từ 4÷8 phân tử collagen với số lượng nhiều tạo thành sợi (fibril) Những sợi có đường kính từ 10÷500 nm tùy thuộc vào loại mô giai đoạn phát triển Các sợi collagen thiết lập nên sợi lớn (fiber) cao bó sợi (fiber bundle) [42, 44, 64] (hình 2.7) Hình 1.6 Cấu trúc sợi collagen 13 Hình 1.7 Quá trình tổ hợp tạo sợi phân tử collagen Các chuỗi collagen xếp song song theo chiều dọc tạo thành sợi với tính chu kỳ định Chúng xếp so le khoảng 67 nm có khoảng trống khoảng 40 nm phân tử liền kề (hình 1.7) Nhờ vào cấu trúc có thứ bậc, độ bền vốn có chuỗi xoắn ốc chuyển sang sợi collagen, cung cấp cho mô độ cứng, độ đàn hồi đặc tính học đặc biệt Hình 1.8 Sự xếp phân tử collagen sợi 14 Có vài liên kết bên chuỗi xoắn ốc ba số lượng biến thiên liên kết ngang chuỗi để hình thành nên tổ hợp có trật tự (như sợi collagen) Các bó sợi lớn tạo nên nhờ vào trợ giúp vài loại protein (bao gồm loại collagen khác nhau), glycoprotein proteolycan để hình thành loại mô khác từ xếp luân phiên thành phần Sự không hòa tan collagen trở ngại cho việc nghiên cứu người ta phát tropocollagen trích ly từ động vật non chưa tạo liên kết ngang hoàn toàn Sợi collagen tổ hợp có cấu trúc bán kết tinh phân tử collagen Các vi sợi kết hợp tạo nên sợi lớn Các sợi collagen xếp với cách thức kết hợp mức độ tập trung khác mô khác để tạo đặc tính khác mô, bó sợi (a) sợi collagen (b) hình 1.9 Hình 1.9 Hình (a) bó sợi hình (b) sợi collagen 15 S K L 0 [...]... collagen từ da động vật nên việc sử dụng collagen da cá vào thực phẩm, y học và mỹ phẩm ngày càng được ứng dụng rộng rãi Trên thế giới, phần lớn các công trình đều tập trung vào nghiên cứu tách chiết collagen từ gia súc như heo, bò, gà, nghiên cứu về các loài cá năm 2000 Nagai, Suzuki, đã nghiên cứu quá trình tách chiết collagen từ phụ phẩm da, xương, vây của các loài cá ngừ (Katsuwonus pelamis), cá. .. độ ẩm 6,9% khoáng 0,14% và pH là 6,5 – 6,7 sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng collagen thực phẩm 5 Sản phẩm  Một bài báo khoa học đăng tạp chí tính điểm từ 0-1 điểm: Khoa học và công nghệ, Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn Nghiên cứu các yếu tố nâng cao hiệu suất tách chiết colagen từ da cá tra  Công nghệ sản xuất collagen từ da cá tra  Sản phẩm collagen 6 Tính mới và sáng tạo - Tối ưu hoá... giữa toán học và công nghệ làm giàu collagen, đây là cơ sở khoa học để lựa chọn chế độ công nghệ cho quá trình chế biến collagen từ da cá tra - Xác định được thành phần và tính chất của da cá tra, đặc biệt là thành phần của collagen, kết quả nghiên cứu là cơ sở cho việc xây dựng công nghệ sản xuất collagen từ da cá tra 8 CHƢƠNG I TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU VỀ COLLAGEN 1.1.1 Collagen Collagen là một loại... collagen/ gelatin còn được dùng làm vỏ bao thuốc “con nhộng” v.v… Việc không sử dụng da cá tra chế biến làm collagen tại Việt Nam đã gây lãng phí, vừa làm ô nhiễm môi trường, vừa làm giảm giá trị của cá tra Việt Nam bởi giá xuất khẩu thịt cá fillet chưa bằng 1/10 so với giá nhập khẩu collagen Từ những phân tích trên cho thấy việc Nghiên cứu công nghệ sản xuất collagen từ phụ phế phẩm da cá tra để ứng. .. ứng dụng vào công nghệ thực phẩm là cần thiết và cấp bách 1 Mục tiêu đề tài Tận dụng được da cá tra vốn là phụ phẩm của ngành chế biến cá tra fillet đông lạnh, nâng cao giá trị kinh tế, giảm thiểu lượng thải bỏ, giảm ô nhiễm môi trường Collagen là một loại protein có nhiều chức năng, nhằm ứng dụng vào công nghệ thực phẩm, nâng cao giá trị của cá tra ở Đồng bằng sông Cửu Long 2 Nội dung nghiên cứu - Nghiên. .. sử dụng sắc kí cột phosphocellulose column chromatoghraphy Năm 2009 Zhang, Liu, Li, đã có các nghiên cứu trên loài cá da trơn largefin longbarbel (Mystus macropterus) Ở Việt Nam, nghiên cứu về collagen còn ít nhất là nghiên cứu collagen từ cá da trơn nước ngọt Một số công trình nghiên cứu gần dây có năm 2008, tác giả Lê Thị Hồng Nhạn có những nghiên cứu trên loài cá basa trong quá trình tách chiết collagen, ... khẩu collagen thì nguồn nguyên liệu chính để sản xuất collagen là da cá tra lại được các doanh nghiệp xử lý phế phẩm và bán với giá rẻ,… Hiện nay, những đơn vị muốn sử dụng collagen đều phải nhập khẩu với giá cao (khoảng 25-30 USD/kg) Đối với ngành thực phẩm và dược collagen rất quan trọng, là nguyên liệu chính để sản xuất nước 6 uống collagen, các loại thuốc chống lão hóa, tăng sự đàn hồi của da, xương…... chính chiếm tỷ trọng cao của da, gân và sụn Collagen và collagen thủy phân gọi là collagen hydrolysate được sử dụng trong thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm và công nghiệp nhiếp ảnh Chúng được sử dụng như chất đông, chất gây lắng trong thực phẩm Collagen được dùng để làm vỏ bao xúc xích, màng bọc kẹo, làm nguyên liệu sản xuất một số loại thực phẩm dinh dưỡng, thực phẩm chức năng Do collagen có tính tan chảy... tách chiết collagen - Tối ưu hóa hiệu suất collagen Sử dụng thuật toán tối ưu xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hiệu suất collagen Từ đó tìm các thông số tối ưu để hiệu suất thu nhận collagen đạt hiệu suất thu hồi cao nhất, làm cơ sở khoa học chọn chế độ công nghệ sản xuất collagen - Xây dựng quy trình công nghệ và tiêu chuẩn chất lượng sản phẩm Xây dựng các thông số kỹ thuật cho từng công đoạn,... thấy mô hình toán đã biểu đạt khá rõ quá trình tách chiết collagen Với tỷ lệ dung dịch acid acetic /da cá là 13/1; nồng độ acid acetic là 0,58M và thời gian tách chiết 26 giờ thì hiệu suất tách chiết collagen đạt giá trị cực đại là 72,9% - Đã xây dựng được quy trình công nghệ sản xuất collagen từ da cá tra, tạo ra được collagen từ da cá tra sản phẩm có màu sắc trắng ngà, hàm lượng hữu cơ là 92,07%, protein