- 1 - MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành nuôi trồng và chế biến thủy sản xuất khẩu ở nước ta, một lượng lớn các phế phụ phẩm bị thải ra như đầu, da, xương…lượng phế phụ phẩm này chưa được xử lý thích hợp dẫn đến ô nhiễm môi trường và gây lãng phí. Trong khi các phế phẩm ấy chính là nguyên liệu để sản xuất ra một chất keo sinh học có nhi ều ứng dụng quan trọng đó là Gelatin. Trong thực phẩm thì Gelatin tạo ra độ nhớt, độ đông, độ chắc cho sản phẩm hoặc là một thực phẩm ăn kiêng rất tốt. Trong dược phẩm dùng làm vỏ nang bảo vệ thuốc. Gelatin cũng được dùng trong phim ảnh, mỹ phẩm và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: keo dán, môi trường cho Vi sinh vật phát triển… Năm 1860 Gelatin từ da đã xuất hiện trên th ị trường, nhưng sự hiểu biết về nó còn rất hạn chế. Đến năm 1956 Gustarson đã tiến hành nghiên cứu các khả năng phản ứng của Collagen. Năm 1990, Trần Thị Luyến đã nghiên cứu 50 keo từ xương cá của một số loài cá fillet. Những năm gần đây có một số đề tài nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nấu keo từ da cá Basa như: Năm 2006, Trần Duy Phong đã nghiên cứu xử lý da cá bằng Na 2 CO 3 để khử mỡ và điều chỉnh pH, nghiên cứu ảnh hưởng của pH trong nước nấu đến chất lượng gelatin và nghiên cứu ảnh hưởng của công đoạn cô đặc và sấy lạnh đến chất lượng gelatin Nhận thấy nhu cầu rất lớn về Gelatin ở trên Thế Giới cũng như ở Việt Nam trong những năm gần đây, thêm vào đó nguồn nguyên liệu da và xươ ng cá để sản xuất Gelatin ở nước ta khá dồi dào, ổn định, giá rẻ và có tiềm năng phát triển nên chúng tôi chọn đề tài “Tách Gelatin từ da cá Basa” với mong muốn góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế cho các ngư dân và nhà sản xuất cá ; đồng thời cũng góp phần vào việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường. * Mục tiêu - Xây dựng được quy trình sản xuất Gelatin từ da cá Basa - 2 - * Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp phân tích vật lý - Phương pháp phân tích định lượng - Phương pháp quy hoạch thực nghiệm * Nội dung nghiên cứu - Thu thập tài liệu, tìm hiểu về cấu tạo, tính chất, lợi ích của Gelatin; các phương pháp tách chiết Gelatin. - Tiến hành quá trình tách chiết, thu nhận sản phẩm - Phân tích hàm lượng Gelatin trong ngun liệu và Gelatin dạng thơ. * Sản phẩm của đề tài : Gelatin dạng hạt - 3 - Chương 1: TỔNG QUAN - 4 - 1.1 TIỀM NĂNG SẢN XUẤT GELATIN TỪ DA CÁ:[5][6] Đất nước Việt Nam có lợi thế là có bờ biển dài, nhiều sông ngòi, ao hồ nên việc khai thác và nuôi trồng thủy sản đã mở ra một triển vọng lớn về việc cung cấp thủy sản cho nhu cầu đời sống nhân dân, cho xuất khẩu và phục vụ cho việc phát triển ngành nuôi trồng thủy sản. Trong các loại thủy sản xuất khẩu tại Việt Nam thì m ặt hàng cá Tra, Basa và các sản phẩm chế biến từ chúng đang chiếm một số lượng lớn và đem về cho đất nước ta một nguồn ngoại tệ cao (gần 1 tỷ USD). Ngày nay, khi Việt Nam đã gia nhập tổ chức thương mại thế giới thì việc xuất khẩu các mặt hàng thủy sản sang các nước khác đã được mở rộng, đặc biệt là các mặt hàng cá Tra và Basa. Sản lượng thủy sả n đánh bắt và nuôi trồng cá Tra và Basa cũng tăng lên theo đặc biệt là ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long. Do đó khai thác và sử dụng tốt nguồn lợi thủy sản để phục vụ cho loài người là một vấn đề cực kỳ quan trọng. Tuy nhiên trong quá trình chế biến cá ta chỉ thu được 30 % thịt còn lại 70 % phụ phẩm. Lượng phế phẩm này thường bị thải bỏ, dùng làm thức ăn cho gia súc, làm phân bón hoặc xu ất khẩu sang các nước khác. Hiện nay trên thế giới nhu cầu sử dụng Gelatin ngày càng lớn. Các quốc gia sản xuất Gelatin hàng đầu là Mỹ (khoảng 31000 tấn hàng năm), kế đến là Pháp, Đức, Anh, Nhật Bản. Các ngành tiêu thụ chủ yếu: công nghệ thực phẩm, công nghệ dược phẩm, công nghiệp phim ảnh, công nghệ sản xuất mỹ phẩm. Gelatin sử dụng trên thế giới thường được sản xuất từ nguyên liệu là xương bò, da heo nhưng những năm gần đây sự bùng nổ bệnh bò điên, bệnh heo tai xanh nên dẫn đến việc sử dụng Gelatin tách chiết từ xương bò, da heo bị hạn chế. Chính vì thế sản lượng Gelatin trên thế giới giảm dần. Nhu cầu sử dụng lớn, nguồn nguyên liệu bị hạn chế. Trước tình hình đó sự ra đời của Gelatin từ da cá là bước ngoặt lớn, nó không nhữ ng giải quyết được tất cả các vấn đề khó khăn ở trên mà còn góp phần tăng lợi ích kinh tế và còn giảm bớt một lượng lớn phế thải trong ngành thủy sản đã gây ô nhiễm môi trường. Như vậy việc sản xuất Gelatin từ da cá không những góp phần làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra sản phẩm mới có giá trị .Đây là một triển vọng lớn cho nhữ ng quốc gia có ngành thủy sản phát triển. - 5 - 1.2. GIỚI THIỆU VỀ COLLAGEN [3][4][7][9][10][11] 1.2.1. Collagen Collagen là một loại protein rất đặc biệt. Cấu trúc của nó được tạo thành từ những amino acid với sự sắp xếp dạng sợi, mặt khác được biết như là protein cứng hình sợi. Những sợi này là những chuỗi phân tử dài, chứa đến 19 loại amino acid. Thành phần amino acid quan trọng của những sợi này gồm có: prolin, glicin, hydroxyprolin và hydroxygilicin. Hai hợp chất cuối không thấy trong bất kỳ loại protein nào khác. 1.2.1.1 Cấu tạo của collagen Collagen là một loại protein tương đối đơn giãn, gồm có ba chuỗi amino acid riêng biệt xoắn lại với nhau giống như một sợi dây thừng. Mỗi sợi collagen được tạo nên từ hang nghìn amino acid, chủ yếu là hai loại acid amin: glycin và prolin. Đơn vị cấu trúc của nó là tropocollagen bao gồm 3 mạch polypeptide bện vào nhau thành một dây cáp siêu xoắn (vì mỗi mạch đơn có cấu trúc xoắn, chiều cao của mỗi gốc xoắ n trên trục siêu xoắn này là 2,9 Å, một vòng xoắn là 3,3 gốc amino acid). Ba chuỗi polypeptide trong “dây cáp” nối với nhau bằng các liên kết hydrogen Đầu tiên ba sợi của collagen này xoắn lại theo kiểu xoắn ốc xung quanh một sợi hình thành nên một bộ ba. Sau đó những bộ ba này bắt với nhau và xoắn chung quanh mỗi bộ ba để hình thành nên một sợi siêu cáp. Mỗi sợi này cũng liên kết với nhau bằng các liên kết ngang. Sự kết hợp này được gọi là một collagen siêu xoắ n. Cấu trúc ba chiều phức tạp này quyết định chức năng sinh học của collagen. Gần một nửa lượng amino acid của colagen là glycine và alanine. Ở những vị trí có liên kết – NH – và = O của glycine và alanine của chuỗi này sẽ liên kết với nhóm –NH – và = O của chuỗi kia ở vị trí tương ứng bằng liên kết hydro. Cứ 3 chuỗi Hình 1.1 Cấu trúc collagen - 6 - polypeptid sẽ xoắn ốc lại với nhau tạo thành một chuỗi lớn hơn, đó chính là sợi colagen rất rắn chắc trong mô sống của động vật. Một đặc điểm để phân biệt colagen với các loại protein khác là trình tự các acid amin được sắp xếp trong 3 chuỗi đơn vị của phân tử colagen. Một mô hình phổ biến là Gly-X-Pro hoặc Gly-X-Hyp, trong đó X có thể là một phân tử acid amin bất kỳ: Gly-Pro-Hyp là mô hình xuất hiệ n nhiều nhất Vì thế, gelatin được thu nhận từ colagen là một mạng lưới phân tử có tính đàn hồi nối với nhau bởi liên kết hydro Bảng 1.1: So sánh thành phần amino acid của phân tử protein có khối lượng 10 000 ĐVC Collagen Casein Albumin Wool Glycine 363 30 19 87 Alanine 107 43 35 46 Valine 29 54 28 40 Leucine 28 60 32 86 Isoleucine 15 49 25 - Serine 32 60 36 95 Threonine 19 41 16 54 Cystine - 2 1 49 Methionine 5 17 16 5 Aspartic acid 47 63 32 54 Glutamic acid 77 153 52 96 Lysine 31 61 20 19 - 7 - Hydroxylysine 7 - - - Arginine 49 25 15 60 Histidine 5 19 7 7 Phenylanine 15 28 21 23 Tyrosine 5 45 9 26 Trytophan - 8 3 9 Proline 131 65 14 83 Hydroproline 107 - - - 1.2.1.2 Tính chất của colagen:  Tính chất vật lý Collagen là một protein không tan trong nước, nhưng có khả năng giãn nở nhẹ. Tỉ lệ giãn nở có giới hạn co giãn khoảng 7% cho sợi ướt và 5% cho sợi khô. Ở 60 0 C dưới tác động của acid hay kiềm hoặc muối Collagen ẩm đột ngột, phồng lên, co rút khoảng 1/3 hay 1/4 chiều dài của nó. Và nếu tiếp tục đun Collagen sẽ tiếp tục thủy phân thành Gelatin  Tính chất hóa học Collagen là chất duy nhất có thể chuyển thành gelatin khi đun sôi với nước nóng, đó là kết quả của sự mở vòng xoắn 3 sợi kèm theo sự phá vỡ liên kết hydro. Gelatone và Gelatose là sản phẩm phân giải gelatin. Tỷ lệ gi ữa Gelatin, Gelatone và Gelatose được quyết định bởi nhiệt độ và thời gian nấu Collagen bị thủy phân chậm bởi trysin và pepsin, trong khi đó Gelatin dễ bị phân hủy hơn Collagen khi thêm cồn, muối hoặc aceton đặc biệt là heparin thì chung có sợi dày và kết tủa lại Collagen tan trong glycerin, acid acetid, ure nhưng không tan trong nước lạnh - 8 - 1.2.1.2 Chức năng của collagen Protein collagen đóng vai trò là giá đỡ cho các mô, các cơ quan và liên kết các cấu trúc này với xương. Collagen cũng có trong cấu trúc của da. Nó tiêu biểu cho sự khỏe mạnh và độ bền của da, thể hiện qua sự trơn láng, đầy đặn của da khi còn trẻ. Cấu trúc siêu xoắn bộ ba đã làm cho Collagen có sức căng mạnh hơn cả thép. Sự mất cấu trúc 3-D cũng có nghĩa là mất đi sự giúp đỡ của khung sườ n của da. Collagen này có nhiều trong các mô liên kết ở da cá. Tương tự như sợi collagen trong động vật có vú, các sợi Collagen ở các mô của cá cũng tạo nên cấu trúc mạng lưới mỏng với mức độ phức tạp khác nhau. Tuy nhiên, Collagen ở cá kém bền nhiệt hơn nhiều và ít có các liên kết chéo hơn nhưng nhạy cảm hơn Collagen ở động vật máu nóng có xương sống. (Phan Thị Thanh Quế. 2005) Collagen là loại protein phổ biến nhất trong cơ thể (chiếm khoảng 1/4 tổng lượng protein), là protein chính của mô liên kết, là một trong các thành phần chính của da, cơ vân, sụn, dây chằng, gân, xương và răng; đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các mô trong cơ thể và củng cố thành mạch; tồn tại trong giác mạc và thuỷ tinh thể của mắt dưới dạng kết tinh. Lớp bì, lớp đệm trong cùng của da chứa rất nhiều Collagen, mà chính các sợi Collagen này tạo ra một hệ thống nâng đỡ, hỗ trợ cho các đặc tính cơ học của da như sức căng, độ đàn hồi, duy trì độ ẩm… 1.2.1.3 Ứng dụng của collagen Ngày nay Collagen được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực đặc biệt là lĩnh vực y học và trong các ngành khoa học khác. Ví dụ như các sản phẩm bông gạc làm từ Collagen của Tập đoàn Suwelack sẽ giúp các vết thương nhanh lên da non và mau lành sẹo, các mỹ phẩm giúp làm đẹp da mặt cho phụ nữ, v.v . 1.2.2 Các y ếu tố ảnh hưởng đến collagen: 1.2.2.1 Ảnh hưởng của không khí Ở các độ tuổi khác nhau, trong cơ thể sống hay trong ống nghiệm, không khí có một vai trò quan trọng trong sự thay đổi cấu trúc hóa học của Collagen (Sobel và Hansen, 1989). Sự oxy hóa sẽ làm thay đổi cấu trúc phân tử của các protein, nguyên nhân là do sự thay đổi về mặt hóa học và các liên kết của vài amino acid đã vượt quá thời gian. - 9 - 1.2.2.2 Ảnh hưởng của nước Nước ảnh hưởng đến Collagen theo những con đường khác. Nó giữ vai trò trực tiếp trong các biến đổi hóa học của Collagen thông qua sự thủy phân, sự hydrat hóa của các gốc tự do, sự ổn định của các liên kết hydro, và tỉ lệ của sự hình thành Gelatin. Bowes và Raistrick (1967) đã nghiên cứu ảnh hưởng của mối liên hệ của độ ẩm và pH lên phạm vi suy giảm thủy phân của Collagen bằng s ự phóng thích nitơ còn dư ở giai đoạn cuối. Ở 40 0 C trong tám tuần, sự thủy phân Collagen tăng lên với sự tăng độ ẩm (từ 40% lên 80%) và giảm pH (từ 5,0 xuống 2,5). Họ kết luận rằng khi sự suy giảm thủy phân càng tiến xa, thì sự biến tính sẽ kéo theo và lần lượt tăng lên hơn là sự hoạt động thủy phân. 1.2.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ Đo lường ảnh hưởng của nhiệt độ lên sự hư hỏng của Collagen bị giới hạn bởi vì có sự hao hụt nhiệt độ ở tại hoặc trên nhiệt độ đo lường đưa ra những kết quả không đáng tin cậy (Bowes và Raistrick, 1964). Mối quan tâm đặc biệt là collagen bị hư hỏng về mặt vật lý và hóa học sẽ bị hư hỏng ở tỉ lệ nhanh hơn, nhưng điều này đã không được chứng minh và là một nội dung cho việc nghiên cứu sâu hơn. Tính toàn v ẹn về mặt vật lý và hóa học của Collagen có thể được biểu thị qua sự ổn định thủy nhiệt, cả khi giảm nhiệt độ sai lệch đối với các sợi đã bị hư hỏng 1.3 GELATIN: [3][7][12][13] 1.3.1 Định nghĩa: Gelatin là một protein tinh sạch dùng trong thực phẩm, thu nhận từ sự biến tính nhiệt phân Collagen có trong da, xương, mô liên kết của động vật, là một loại protein phổ bi ến trong giới động vật. Gelatin hòa tan khi đun nóng (khoảng 40 o C) và cô đặc khi làm lạnh, cùng với nước ở điều kiện bình thường có dạng sệt. Theo Hofmeister: Gelatin là sản phẩm của sự thủy phân Collagen bởi nhiệt: C 102 H 149 N 31 O 38 + H 2 O Î C 102 H 151 N 31 O 39 1.3.2 Tính chất của Gelatin: 1.3.2.1 Cấu trúc Gelatin: - 10 - Gelatin là một protein tạo bởi axit amin sắp xếp trên một chuỗi đường thẳng và được liên kết bởi sự kết hợp của hai hay nhiều axit amin, là hỗn hợp dị hể các sợi polypeptid sợi đơn và sợi đa, mỗi sợi có cấu hình proline xoắn ốc bên trái, chứa từ 300 – 400 amino acid. Hình 1.2 Cấu trúc Gelatin Cấu trúc của Gelatin được hình thành từ sự liên kết của 18 loại amino acid khác nhau, liên kết theo một trạt tự nhất định, tuần hoàn. Gelatin chứa một lượng lớn glycine, proline và 4- hydroxyproline. Cấu trúc hóa học cơ bản là –Ala-Gly- Pro-Arg-Gly-4Hyp-Gly-Pro. Hình 1.3: Cấu trúc hóa học phân tử Gelatin Hầu hết Gelatin thương mại có khối lượng phân tử từ 15000 đến 250000 đvc, thường thì Gelatin có khối lượng phân tử từ 50000 đến 70000 đvc. Gelatin cũng giống như những phân tử protein khác, thành cấu trúc chính của Gelatin là chuỗi polypeptid lớn và phức tạp với thành phần amino acid giống như