Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu thu nhận, biến tính gelatin từ phế liệu thủy sản và ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:275

Thêm vào BST

Báo xấu

90
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án được nghiên cứu với mục tiêu nhằm xây dựng quy trình công nghệ thu nhận gelatin từ da cá với chất lượng và hiệu suất thu hồi cao; Xây dựng quy trình biến tính gelatin từ da cá phế liệu nhằm cải thiện các đặc tính chất lượng của gelatin; Đánh giá khả năng ứng dụng gelatin thu được trong sản xuất một số sản phẩm thực phẩm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu thu nhận, biến tính gelatin từ phế liệu thủy sản và ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG   CHÂU THÀNH HIỀN NGHIÊN CỨU THU NHẬN, BIẾN TÍNH GELATIN TỪ PHẾ LIỆU THỦY SẢN VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐÀ NẴNG - 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG   CHÂU THÀNH HIỀN NGHIÊN CỨU THU NHẬN, BIẾN TÍNH GELATIN TỪ PHẾ LIỆU THỦY SẢN VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm Mã số: 62.54.01.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS ĐẶNG MINH NHẬT 2. PGS.TS TRẦN THỊ XÔ ĐÀ NẴNG - 2019
LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Người cam đoan Châu Thành Hiền i
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i MỤC LỤC ..................................................................................................................ii DANH MỤC CHỮ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT ...................................................... iv DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ v DANH MỤC CÁC HÌNH .......................................................................................vii MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU .................................................................. 5 1.1. Tổng quan về collagen và gelatin ........................................................................ 5 1.1.1. Tổng quan về collagen ..................................................................................... 5 1.1.2. Quá trình chuyển từ collagen thành gelatin ................................................... 11 1.1.3. Tổng quan về gelatin...................................................................................... 12 1.1.4. Tổng quan về gelatin từ cá ............................................................................. 17 1.2. Tổng quan về gelatin biến tính ........................................................................... 20 1.2.1. Tác nhân biến tính.......................................................................................... 20 1.2.2. Cơ chế tạo liên kết ngang trong quá trình biến tính ....................................... 21 1.3. Ứng dụng của gelatin ......................................................................................... 22 1.3.1. Gelatin trong thực phẩm ................................................................................ 22 1.3.2. Trong dược phẩm ........................................................................................... 24 1.3.3. Gelatin trong kỹ thuật phim ảnh .................................................................... 24 1.3.4. Gelatin làm chất bổ sung dinh dưỡng ............................................................ 24 1.4. Tổng quan về nguồn thủy sản và phế liệu thủy sản ........................................... 25 1.5. Tổng quan tình hình nghiên cứu về gelatin từ phế liệu thủy sản ....................... 25 1.5.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới................................................................. 25 1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước .................................................................. 34 CHƯƠNG 2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............. 38 2.1. Nguyên liệu ........................................................................................................ 38 2.2. Hóa chất ............................................................................................................. 38 2.3. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................... 39 2.3.1. Sơ đồ nghiên cứu ........................................................................................... 39 2.3.2. Bố trí thí nghiệm ............................................................................................ 41 ii
2.3.3. Phương pháp phân tích hóa lý ....................................................................... 46 2.3.4. Phương pháp phân tích hóa sinh .................................................................... 52 2.3.5. Phương pháp phân tích vi sinh....................................................................... 52 2.3.6. Phương pháp phân tích cảm quan .................................................................. 53 2.3.7. Phương pháp phân tích số liệu thực nghiệm .................................................. 54 2.3.8. Tối ưu hóa điều kiện thực nghiệm ................................................................. 54 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................... 55 3.1. Nghiên cứu thu nhận gelatin từ phế liệu thủy sản .............................................. 55 3.1.1. Khảo sát thành phần hóa học cơ bản của một số loại da cá ........................... 55 3.1.2. Nghiên cứu công đoạn xử lý nguyên liệu da cá ............................................. 56 3.1.3. Nghiên cứu công đoạn trích ly gelatin .......................................................... 70 3.1.4. Nghiên cứu làm sạch gelatin .......................................................................... 74 3.1.5. Xác định một số đặc tính của gelatin thành phẩm ......................................... 85 3.1.6. Xác định chỉ tiêu an toàn vệ sinh thực phẩm và chỉ tiêu chất lượng của gelatin................................................................................................................................... 91 3.1.7. Nghiên cứu chế độ bảo quản gelatin .............................................................. 92 3.1.8. Đề xuất quy trình thu nhận gelatin từ da cá quy mô phòng thí nghiệm......... 95 3.2. Nghiên cứu biến tính gelatin từ da cá Ngừ Đại Dương ..................................... 97 3.2.1. Biến tính bằng enzyme transglutaminase, acid caffeic và acid tannic........... 97 3.2.2. Biến tính bằng polyphenol từ lá chè xanh ................................................... 108 3.3. Nghiên cứu ứng dụng gelatin ........................................................................... 117 3.3.1. Đánh giá khả năng ứng dụng làm chất tạo gel nhân kem marshmallow trong sản xuất bánh chocopie ...................................................................................................... 117 3.3.2. Ứng dụng gelatin trong sản xuất kẹo dẻo hương cam ................................. 118 3.3.3. Ứng dụng gelatin biến tính bằng enzyme transglutaminase trong kỹ thuật vi bao chất màu anthocyanin.................................................................................................. 122 3.3.4. Đánh giá khả năng ứng dụng gelatin biến tính bằng polyphenol chè xanh làm màng bao bảo quản thịt ...................................................................................................... 124 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 133 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC iii
DANH MỤC CHỮ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT Abs Độ hấp thụ AC Acid caffeic AT Acid tannic CS. Cộng sự DNĐD Da cá Ngừ Đại Dương DTRA Da cá Tra ĐC Mẫu đối chứng E.coli Escherichia coli FTIR Fourier transformed infrared GBA Gelatin biến tính bằng acid caffeic GBE Gelatin biến tính bằng enzyme transglutaminase GBP Gelatin biến tính bằng polyphenol GBT Gelatin biến tính bằng acid tannic GNĐD Gelatin từ da cá Ngừ Đại Dương GNĐDS Gelatin từ da cá Ngừ Đại Dương có sóng siêu âm hỗ trợ GNĐDT Gelatin từ da cá Ngừ Đại Dương xử lý bằng than hoạt tính GTRA Gelatin từ da cá Tra GTRAS Gelatin từ da cá Tra có sóng siêu âm hỗ trợ GTRAT Gelatin từ da cá Tra xử lý bằng than hoạt tính HPLC Sắc ký lỏng hiệu năng cao LOD Limit of detection: giới hạn định tính QCVN Quy chuẩn Việt Nam SDS-PAGE Kỹ thuật điện di SDS-polyacrylamide gel SEM Scanning electron microscopy – kính hiển vi điện tử quét TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam THT Than hoạt tính TGase Enzyme transglutaminase TNBS Trinitrobenzenesulfonic acid (C6H3N3O9S) UV-VIS Ánh sáng tử ngoại – khả kiến iv
DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng Trang bảng 1.1. Một số loại collagen phổ biến 8 1.2. Thành phần acid amin trung bình của gelatin (‰) 13 1.3. Một số ứng dụng của gelatin trong sản phẩm thực phẩm 23 1.4. Tóm tắt một số nghiên cứu thu nhận gelatin từ da cá trên thế giới 26 1.5. Tóm tắt một số nghiên cứu biến tính gelatin từ da cá trên thế giới 32 1.6. Tóm tắt một số nghiên cứu thu nhận gelatin từ da cá ở Việt Nam 35 2.1. Một số hóa chất chính dùng trong nghiên cứu 38 3.1. Thành phần hóa học cơ bản của một số loại da cá 55 Kết quả xác định nồng độ acid và thời gian xử lý da cho độ bền 3.2. 57 gel cao nhất cùng với độ nhớt và hiệu suất thu hồi gelatin Kết quả xác định hàm lượng vôi và thời gian xử lý da cá thích 3.3. hợp để thu được gelatin có độ bền gel cao nhất cùng với độ nhớt 59 và hiệu suất thu hồi Kết quả xác định thời gian xử lý da trong huyền phù vôi, dung 3.4. 61 dịch acid để thu được gelatin có độ bền gel cao nhất So sánh kết quả xác định điều kiện tốt nhất để thu được gelatin từ 3.5. da cá khô và da cá lạnh đông bằng ba phương pháp acid, kiềm, 63 kết hợp kiềm-acid 3.6. Điều kiện khảo sát sơ bộ làm sạch màu dịch gelatin bằng THT 79 3.7. Mức yếu tố ảnh hưởng của điều kiện xử lý 80 3.8. Điều kiện tối ưu làm sạch màu dịch gelatin bằng THT 81 3.9. Độ màu của các loại gelatin 82 3.10. Tổng điểm và điểm trung bình về độ mùi của các mẫu gelatin 83 3.11. Hàm lượng các hợp chất gây mùi của gelatin 83 3.12. Hàm lượng acid amin của gelatin 89 Kết quả đánh giá các chỉ tiêu an toàn vệ sinh thực phẩm và chỉ 3.13. 91 tiêu chất lượng của gelatin v
Số hiệu Tên bảng Trang bảng 3.14. Nồng độ gelatin thích hợp để biến tính 101 Điều kiện thích hợp nhất để biến tính gelatin bằng 3.15. 101 transglutaminase, acid caffeic, acid tannic 3.16. Kết quả đánh giá cảm quan gelatin sau khi biến tính 106 Kết quả phân tích các chỉ tiêu chất lượng polyphenol thô chè 3.17. 108 xanh Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ nhớt, mức độ liên kết ngang và 3.18. 109 độ bền gel gelatin Ảnh hưởng của hàm lượng polyphenol đến độ nhớt, mức độ liên 3.19. 110 kết ngang và độ bền gel gelatin Ảnh hưởng của nồng độ gelatin đến độ nhớt, mức độ liên kết 3.20. 111 ngang và độ bền gel gelatin 3.21. Tóm tắt kết quả đánh giá chất lượng gelatin của nhà máy 117 3.22. Công thức trong sản xuất kẹo dẻo 118 3.23. Kết quả đánh giá các chỉ tiêu chất lượng của kẹo dẻo 120 3.24. Một số chỉ tiêu của anthocyanin sau vi bao và không vi bao 123 3.25. Ưu điểm, nhược điểm của các màng phim 128 3.26. Chỉ tiêu vi sinh vật của thịt bò 132 vi
DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình Trang hình 1.1. Cấu trúc xoắn ba của collagen 6 1.2. Trình tự sắp xếp các acid amin trong phân tử collagen 6 1.3. Cấu tạo phân tử collagen 7 1.4. Tương tác tạo liên kết ngang của collagen 10 Phản ứng giữa phức có liên kết aldimine với histidine hình 1.5. 10 thành liên kết ngang histidino-hydroxylysinonorleucine Phản ứng giữa phức có liên kết keto- amine với 1.6. hydroxylysine aldehyde, lysine aldehyde hình thành liên kết 11 ngang 1.7. Các dạng gelatin, A: dạng hạt; B: dạng tấm; C: dạng sợi 13 1.8. Độ nhớt gelatin phụ thuộc nhiệt độ và hàm lượng gelatin 15 Mô hình phân bố điện tích của gelatin loại A và B trong dung 1.9. 16 dịch 1.10. Quy trình thu nhận gelatin tổng quát từ da cá 18 1.11. Cơ chế tạo liên kết ngang của gelatin xúc tác bởi enzyme 21 1.12. Cơ chế tạo liên kết ngang của gelatin bởi tác nhân hóa học 22 1.13. Ứng dụng của gelatin trong sản phẩm kẹo, kem, thịt đông 23 2.1. Sơ đồ nghiên cứu tổng quát 41 2.2. Sơ đồ quy trình thu nhận gelatin từ da cá 41 2.3. Sơ đồ nghiên cứu biến tính gelatin 45 Ảnh hưởng của biên độ siêu âm đến độ bền gel, độ nhớt và 3.1. 65 hiệu suất thu hồi Ảnh hưởng của chu kỳ đóng ngắt siêu âm đến độ bền gel, độ 3.2. 66 nhớt và hiệu suất thu hồi gelatin Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến độ bền gel, độ nhớt và 3.3. 67 hiệu suất thu hồi 3.4. Ảnh hưởng của thời gian siêu âm trong huyền phù vôi đến độ 69 vii
Số hiệu Tên hình Trang hình bền gel, độ nhớt và hiệu suất thu hồi gelatin Ảnh hưởng của nhiệt độ trích ly đến độ bền gel, độ nhớt và 3.5. 71 hiệu suất thu hồi gelatin Ảnh hưởng của thời gian trích ly đến độ bền gel, độ nhớt và 3.6. 72 hiệu suất thu hồi gelatin Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi/ da cá đến độ bền gel, độ nhớt 3.7. 73 và hiệu suất thu hồi gelatin Ảnh hưởng của loại tác nhân làm sạch màu đến độ đục và độ 3.8. 75 hấp thụ quang của dịch gelatin Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý THT đến độ đục và độ hấp thụ 3.9. 76 quang của dịch gelatin Ảnh hưởng của thời gian xử lý THT đến độ đục và độ hấp thụ 3.10. 77 quang của dịch gelatin Ảnh hưởng của hàm lượng THT đến độ đục và độ hấp thụ 3.11. 78 quang của dịch gelatin 3.12. Sự phân bố khối lượng phân tử của gelatin 85 Cấu trúc của gelatin thu nhận từ da cá Ngừ Đại Dương và da 3.13. 86 cá Tra Phổ hồng ngoại của gelatin da cá Ngừ Đại Dương và da cá 3.14. 88 Tra 3.15. Gelatin từ da cá Ngừ Đại Dương và da cá Tra sau khi sấy khô 92 3.16. Quy trình thu nhận gelatin từ da cá 95 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến sự thay đổi độ nhớt và 3.17. 98 độ bền gel gelatin Ảnh hưởng hàm lượng transglutaminase, acid caffeic, acid 3.18. 99 tannic đến độ nhớt và độ bền gel gelatin Ảnh hưởng của nồng độ gelatin đến mức độ tăng độ nhớt và 3.19. 100 độ bền gel gelatin 3.20. Ảnh điện di các mẫu gelatin biến tính và mẫu chuẩn marker 102 viii
Số hiệu Tên hình Trang hình 3.21. Vi ảnh cấu trúc của gelatin trước và sau khi biến tính 103 3.22. Mức độ liên kết ngang của gelatin 104 3.23. Phổ hồng ngoại (FTIR) của gelatin trước và sau khi biến tính 105 Gelatin trước và sau khi biến tính bằng transglutaminase, acid 3.24. 107 caffeic, acid tannic đã sấy khô 3.25. Ảnh điện di các mẫu gelatin và mẫu chuẩn marker 112 Ảnh vi cấu trúc gelatin trước và sau khi biến tính bằng 3.26. 113 polyphenol 3.27. Phổ hồng ngoại của gelatin biến tính bằng polyphenol 114 3.28. Gelatin trước và sau khi biến tính bằng polyphenol chè xanh 114 3.29. Quy trình biến tính gelatin 115 3.30. Quy trình công nghệ sản xuất kẹo dẻo gelatin 118 3.31. Sản phẩm kẹo dẻo hương cam 119 3.32. Độ bền kéo đứt của kẹo 121 Sản phẩm anthocyanin vi bao (MCR-A) và không vi bao 3.33. 123 (UMCR-A) 3.34. Sự thay đổi hàm lượng anthocyanin theo thời gian bảo quản 123 Ảnh hưởng của nồng độ gelatin, hàm lượng glycerol đến độ 3.35. 125 dày và độ hòa tan màng phim Ảnh hưởng của nồng độ gelatin, hàm lượng glycerol đến độ 3.36. 126 trương phồng và độ thấm hơi màng phim Ảnh hưởng của nồng độ gelatin, hàm lượng glycerol đến độ 3.37. 127 bền kéo và độ giãn dài của màng phim x
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Gelatin với bản chất là protein được tạo thành từ sự phân giải collagen có trong xương, da, gân, sụn,... từ các loài động vật có vú và các loài thủy sản. Gelatin được ứng dụng nhiều trong các ngành y dược, mỹ phẩm, phim ảnh,... vì những tính chất chức năng độc đáo của nó. Riêng trong ngành công nghệ thực phẩm, gelatin được sử dụng với vai trò là chất ổn định, chất kết dính, chất nhũ hóa, chất tạo gel,...[98]. Theo tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc (FAO), sản lượng gelatin trung bình hàng năm trên thế giới khoảng 326.000 tấn và nhu cầu sử dụng không ngừng gia tăng. Trong đó, gelatin được sản xuất từ da heo, da bò chiếm phần lớn, gelatin từ các nguồn nguyên liệu khác chiếm tỷ lệ rất ít [93]. Tuy nhiên, do những lo ngại về khả năng gây bệnh truyền nhiễm như lở mồm, long móng và các vấn đề tôn giáo của gelatin từ động vật có vú, phế liệu chế biến thủy sản hiện đang nổi lên như là nguồn nguyên liệu thay thế để cung cấp gelatin đầy tiềm năng [88]. Cùng với sự phát triển của ngành khai thác và chế biến thủy sản, lượng phế liệu thủy sản thải ra môi trường ngày càng nhiều. Theo khảo sát của FAO, hơn 158 triệu tấn hải sản được đánh bắt và nuôi trồng hàng năm, trong đó chỉ khoảng 50% được sử dụng làm thực phẩm, lượng còn lại được cho là phế liệu, không sử dụng trực tiếp cho con người [91]. Ở Việt Nam, chỉ tính riêng khu vực Đồng bằng Sông Cửu long, lượng phế liệu thủy sản thải ra hàng năm vào khoảng 300 ngàn tấn [8], hầu hết được sử dụng làm thức ăn gia súc hoặc sơ chế dưới dạng nguyên liệu thô với giá trị kinh tế thấp. Vì vậy, việc khai thác nguồn nguyên liệu này để sản xuất gelatin thay thế gelatin có nguồn gốc từ động vật có vú đang là hướng đi được quan tâm, có khả năng đem lại giá trị kinh tế cao và định hướng góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Mặc dù trong thời gian gần đây đã có nhiều nghiên cứu trên thế giới và số ít ở nước ta về công nghệ thu nhận gelatin từ các loại phế liệu thuỷ sản, nhưng do có sự khác biệt về nguồn gốc nguyên liệu, điều kiện nghiên cứu, mục tiêu của nghiên 1
cứu – thu nhận gelatin với hiệu suất cao hay chất lượng cao - nên các kết luận đưa ra không có sự thống nhất về phương pháp xử lý nguyên liệu, hoá chất sử dụng cho đến điều kiện trích ly gelatin. Việc áp dụng các kỹ thuật tiên tiến như siêu âm trong công nghệ chưa được quan tâm. Các loại phế liệu thủy sản phổ biến trong nước chưa được nghiên cứu nhiều và chưa toàn diện. Hơn nữa, hạn chế lớn nhất của gelatin từ phế liệu thủy sản là có khối lượng phân tử nhỏ, dẫn đến các tính chất chức năng như độ bền gel, nhiệt độ nóng chảy, độ nhớt,... thấp hơn so với gelatin từ động vật có vú. Để khắc phục những hạn chế trên, một số nghiên cứu đã được thực hiện trên thế giới nhằm biến tính gelatin, cải thiện các tính chất chức năng bằng các tác nhân vật lý, hóa học, sinh học khác nhau, nhờ đó có thể mở rộng phạm vi ứng dụng của gelatin. Trong khi ở Việt Nam, vấn đề này lại chưa được quan tâm đến. Ngoài ra, do có nguồn gốc từ nguồn nguyên liệu mới – phế liệu thuỷ sản hoặc do hệ quả của quá trình biến tính dẫn đến những thay đổi về chất lượng, khả năng ứng dụng của gelatin từ phế liệu thuỷ sản cũng là vấn đề cần thiết phải đánh giá. Xuất phát từ những phân tích trên, đề tài “Nghiên cứu thu nhận, biến tính gelatin từ phế liệu thủy sản và ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm” có ý nghĩa thiết thực về mặt khoa học lẫn thực tiễn. Những kết quả thu được từ nghiên cứu này sẽ bổ sung những hiểu biết mới về gelatin thuỷ sản, phát triển công nghệ sản xuất và biến tính gelatin từ phế liệu này, cũng như đánh giá được khả năng ứng dụng gelatin thủy sản trong công nghiệp thực phẩm, qua đó nâng cao giá trị của các loại phế liệu thuỷ sản. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng quy trình công nghệ thu nhận gelatin từ da cá với chất lượng và hiệu suất thu hồi cao; - Xây dựng quy trình biến tính gelatin từ da cá phế liệu nhằm cải thiện các đặc tính chất lượng của gelatin; - Đánh giá khả năng ứng dụng gelatin thu được trong sản xuất một số sản 2
phẩm thực phẩm. 3. Nội dung nghiên cứu Để đạt được những mục tiêu nghiên cứu như trên, đề tài xác định các nội dung cần thực hiện như sau: - Phân tích thành phần hóa học để chọn da cá thích hợp làm nguyên liệu thu nhận gelatin; - Nghiên cứu phương pháp xử lý nguyên liệu da cá trước khi trích ly gelatin; - Nghiên cứu điều kiện trích ly để thu được gelatin có chất lượng tốt và hiệu suất thu hồi gelatin cao; - Nghiên cứu làm sạch gelatin sau khi trích ly; - Xác định thành phần, cấu trúc và các đặc tính chức năng của gelatin; - Nghiên cứu biến tính gelatin bằng các tác nhân hóa học và enzyme; - Đánh giá khả năng ứng dụng gelatin thành phẩm. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Từ nội dung nghiên cứu được định ra trong luận án sẽ toát lên ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn chính như sau: * Ý nghĩa khoa học - Đánh giá được hiệu quả của các phương pháp xử lý nguyên liệu cho một số loại da cá phổ biến ở Việt Nam để thu nhận gelatin, cũng như khả năng làm sạch gelatin bằng các loại than hoạt tính và cát, từ đó đề xuất quy trình công nghệ thu nhận gelatin từ da cá có hiệu quả cao; - Cung cấp thông tin khoa học về thành phần hóa học cơ bản của một số loại da cá phổ biến ở Việt Nam, cũng như thành phần hóa học, cấu trúc và tính chất chức năng của gelatin thành phẩm thu được từ da cá phế liệu; - Đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố đến sự biến tính gelatin từ da cá bằng enzyme transglutaminase, acid caffeic, acid tannic, polyphenol từ lá chè xanh, qua đó đề xuất các quy trình công nghệ biến tính gelatin từ da cá nhằm cải thiện tính chất chức năng của sản phẩm; - Cung cấp thông tin khoa học về sự thay đổi tính chất, cấu trúc của gelatin 3
sau khi biến tính bởi enzyme transglutaminase, acid caffeic, acid tannic, polyphenol từ lá chè xanh; - Đánh giá được khả năng ứng dụng của gelatin thu được trong sản xuất một số sản phẩm thực phẩm. * Ý nghĩa thực tiễn - Đặt cơ sở cho việc xây dựng công nghệ sản xuất gelatin từ da cá phế liệu có hiệu quả cao, thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp sản xuất gelatin từ da cá, đưa gelatin từ da cá trở thành nguồn nguyên liệu thay thế cho gelatin truyền thống từ da heo, da bò trong công nghiệp thực phẩm cũng như các ngành công nghiệp khác; - Nâng cao được giá trị kinh tế các loại da cá phế liệu sẵn có, đồng thời góp phần giảm thiểu tình trạng ô nhiễm môi trường bởi chất thải thủy sản. - Làm cơ sở để phát triển nguồn gelatin từ cá, phục vụ sản xuất, chế biến thực phẩm cho người theo đạo Hồi, không sử dụng thịt heo, thịt bò. 6. Cấu trúc của luận án Luận án gồm 136 trang (không kể phần phụ lục), kết cấu bao gồm: Mở đầu có 4 trang trình bày tính cấp thiết, mục tiêu, nội dung, ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của luận án. Nội dung chính gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan tài liệu gồm 33 trang; Chương 2: Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu, gồm có 17 trang; Chương 3: Kết quả nghiên cứu gồm có 77 trang; Phần kết luận và kiến nghị gồm 4 trang; Các công trình nghiên cứu đã công bố 1 trang. Ngoài ra phần các công trình công bố và tài liệu tham khảo gồm 16 trang. Trong luận án có tổng cộng có 33 bảng, 53 hình vẽ và đồ thị. Có 131 tài liệu tham khảo tiếng Việt, tiếng Anh và trang web. 4
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Tổng quan về collagen và gelatin Gelatin là protein hòa tan, được thu nhận bằng cách thủy phân một phần collagen có nguồn gốc từ da, mô sụn, xương động vật,… Gelatin có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghiệp thực phẩm, sinh học, dược phẩm, y học, phim ảnh,... bởi các tính chất chức năng độc đáo của nó. Để sản xuất gelatin, nguyên liệu giàu collagen được ngâm trong dung dịch acid hoặc kiềm loãng, dẫn đến sự phân cắt một phần các liên kết ngang của collagen. Sau đó hỗn hợp được gia nhiệt, làm cho phân tử collagen được phân nhỏ đến mức tan được trong nước ấm, khi đó gelatin đã được hình thành [98]. Để thu được sản phẩm gelatin tốt, đảm bảo chất lượng, yêu cầu nguồn collagen phải tốt, phù hợp với yêu cầu sản phẩm gelatin. Chất lượng collagen phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nguồn nguyên liệu (bò, heo, cá,...), độ tuổi của nguyên liệu, điều kiện sống của vật nuôi,… 1.1.1. Tổng quan về collagen “Collagen” trong tiếng Hy Lạp được tạo nên từ 2 thành phần, một là “kolla” có nghĩa là “keo” và hai là “gennao” có nghĩa là “sản xuất”, nên “collagen” có nghĩa là “sản xuất keo” [44]. Collagen có chức năng như một chất keo gắn các bộ phận trong cơ thể thành một khối hoàn chỉnh. Nếu không có collagen, cơ thể người và động vật chỉ là các phần rời rạc không liên kết được với nhau. Đối với da của người và động vật, collagen còn có nhiệm vụ tạo sự đàn hồi. Đây chính là lý do tại sao collagen ở da có hình dạng khác so với collagen ở bộ phận khác. Collagen là một trong những protein dạng sợi phong phú nhất và đáp ứng được các tính chất chức năng cơ học, đặc biệt là ở động vật có vú, chiếm khoảng 25÷35% protein của toàn bộ cơ thể. Nó được tìm thấy chủ yếu ở các mô như: da, gân và dây chằng. Chúng có hầu hết trong xương, ngà, răng, mạch máu, sụn và trong các cấu trúc ngoại bào. Ngoài ra collagen cũng có mặt trong các loài động vật không xương sống như các loại nhuyễn thể [44][102]. 5
1.1.1.1. Cấu trúc của collagen Collagen có cấu tạo tương đối phức tạp, cấu trúc đơn giản nhất là collagen phân tử hay tropocollagen. Chúng có dạng hình sợi, được tạo thành từ 3 chuỗi polypeptid (chuỗi α) liên kết với nhau, gọi là collagen xoắn ba và tạo thành cấu trúc không gian 3D như hình 1.1. 8,6 nm 0,87 nm 1,5 nm Hình 1.1. Cấu trúc xoắn ba của collagen [41] Cấu trúc xoắn ba ổn định nhờ các liên kết hydro trong mỗi chuỗi và giữa các chuỗi với nhau. Các chuỗi xoắn ba có chiều dài khoảng 300 nm và khối lượng phân tử khoảng 105 kDa. Cấu trúc đặc biệt này là do sự lặp lại gần như liên tục của trình tự các acid amin Gly-X-Y với khoảng 334 đơn vị, trong đó proline thường xuất hiện ở vị trí Y và hydroxyproline hầu như luôn xuất hiện ở vị trí X. Hình 1.2. Trình tự sắp xếp các acid amin trong phân tử collagen [44] 6
Glycine (Gly) chiếm khoảng 33% các thành phần acid amin, proline (Pro) và hydroxyproline (Hyp) chiếm lần lượt khoảng 22% và 25%, các acid amin còn lại được phân phối ngẫu nhiên ở vị trí X và Y [52]. Các acid amin, 1nm Chuỗi xoắn ba tropocollagen, 300nm Các sợi collagen, 1µm Bó sợi collagen, 10µm Hình 1.3. Cấu tạo phân tử collagen [44] Trong tất cả các acid amin, hydroxyproline đóng vai trò rất quan trọng cho sự ổn định của collagen, là một acid amin đặc trưng của collagen và không được tìm thấy trong bất kì một protein nào khác. Trong hydroxyproline có gắn nhóm -OH nằm ở vị trí cacbon gamma. Polypeptide của collagen nếu thiếu hydroxyproline sẽ tạo nên cấu trúc gấp khúc ở nhiệt độ thấp và sẽ không bền vững ở nhiệt độ thân nhiệt [44]. 1.1.1.2. Phân loại collagen Cho đến nay khoảng 28 loại collagen khác nhau được xác định. Một số loại collagen phổ biến được thống kê ở Bảng 1.1. Hơn 90% collagen trong cơ thể thuộc loại I, collagen loại I được sử dụng để sản xuất gelatin, bao gồm khoảng 1014 acid amin liên kết dưới dạng chuỗi với khối lượng phân tử xấp xỉ 100.000 g/mol. 7
Bảng 1.1. Một số loại collagen phổ biến [98] Loại Cấu tạo STT Đặc trưng cấu trúc Nguồn collagen collagen phân tử 1 I [α1]2 α2 Sợi dài 300 nm Da, gân, xương, dây chằng,... 2 II [α1]3 Sợi dài 300 nm Sụn, thủy tinh thể 3 III [α1]3 Sợi dài 300 nm Da, cơ, mạch máu, phổi 4 V [α1]2 α2 và Sợi kết hợp với loại I Tương tự như loại I, α1 α2 α3 với hai đầu chuỗi cũng có ở tế bào đang hình cầu. phát triển, thai nhi. 5 XI α1 α2 α3 Sợi kết hợp với loại II Tương tự như loại II 1.1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc của collagen a. Ảnh hưởng bởi nước Nước giữ vai trò trực tiếp trong các biến đổi hóa học của collagen thông qua sự thủy phân, sự ổn định các liên kết hydro và khả năng tạo thành gelatin. Phân tử nước có tính lưỡng cực nên tác động đến các thành phần mang điện tích âm và điện tích dương trong phân tử collagen, làm giảm sự thu hút tĩnh điện giữa các ion bằng cách hình thành vỏ ngậm nước xung quanh. Collagen giữ nước ở hai hình thức: nước cấu trúc và nước tự do. Nước cấu trúc là nước hydrat hóa các nhóm chức chức năng của collagen trong các dạng đơn lớp hoặc đa lớp. Mỗi nhóm phân cực trong collagen liên kết với H+ hoặc OH- của phân tử nước. Phần nước tự do ảnh hưởng rất lớn đến cấu trúc không gian của collagen, làm thay đổi lực tĩnh điện của các nhóm ion và liên kết hydro do H+, OH- [28][52]. b. Ảnh hưởng bởi acid và kiềm Collagen cũng bị ảnh hưởng bởi nồng độ H+ và OH- trong môi trường nước vì collagen có bản chất là protein. Trong phân tử collagen có chứa các nhóm mang điện, ở pH đẳng điện các liên kết nội phân tử chặt chẽ nhất. Sự gia tăng nồng độ H+ 8
hoặc OH- làm phá vỡ các liên kết nội tại của chuỗi collagen để chúng liên kết với ion, làm tăng điện tích dương hoặc âm tùy thuộc vào môi trường. Tuy nhiên, collagen không liên kết một cách tự do với các điện tích trong môi trường mà nó chỉ liên kết với một lượng nhỏ H+ hoặc OH-. Bằng cách tăng nồng độ H+ hoặc OH- dẫn đến sự đẩy nhau giữa các điện tích cùng dấu tạo nên một lớp màng điện thế. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho nước di chuyển vào trong chuỗi collagen tạo liên kết tĩnh điện với các nhóm mang điện và tạo liên kết hydro với các nhóm không mang điện [28][48]. c. Ảnh hưởng bởi enzyme Quá trình khử trùng hợp các đại phân tử tropocollagen có thể xảy ra nhờ các enzyme bẻ gãy các liên kết ở khu vực không tạo xoắn. Cụ thể: pepsin hoặc trypsin tấn công vào khu vực giàu tyrosine và các acid amin có tính acid và không có hydroxyproline. Các enzyme xúc tác thủy phân peptid như pepsin và chymotrypsin không có khả năng phá vỡ cấu trúc xoắn ốc của collagen. Tuy nhiên, chymotrypsin và enzyme lysozyme có thể chuyển đổi chuỗi β và γ thành chuỗi α bằng cách thủy phân các liên kết peptid giữa glycine – isoleucine hoặc giữa serine và valine của chuỗi α1 ở đầu -NH2 [44]. Ngoài ra, enzyme collagenase thủy phân phân tử collagen có nguồn gốc tự nhiên ở điểm khoảng 3/4 chiều dài từ đầu -NH2. Tuy nhiên, có quan điểm cho rằng vị trí phân cắt chính xác trên các chuỗi xoắn ba collagen bởi enzyme collagenase ở các sản phẩm collagen biến tính là không rõ ràng [52]. 1.1.1.4. Các liên kết ngang trong collagen Các liên kết ngang chính trong tropocollagen và giữa các tropocollagen với nhau thường được tạo thành do sự khử amin hóa của lysine với lysine để tạo thành lysine aldehyde được thể hiện minh họa ở Hình 1.4 như sau: 9