Chương 1 – TỔNG QUAN - Chương 2 – NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Chương 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - TÀI LIỆU THAM KHẢO 2 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: THS. TRẦN THỊ NGỌC BÍCH. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Giới thiệu về Collagen 1.
Định nghĩa Collagen là một loại protein chiếm 25% tổng lượng protein cơ thể và đến 70% lớp hạ bì của làn da, 20% của xương, 50% của khớp, xấp xỉ 100% của giác mạc. Collagen phân bố chủ yếu ở lớp hạ bì với chức năng chính là kết nối các mô trong cơ thể, kích thích quá trình trao đổi chất. Cấu trúc Collagen là một loại protein tương đối đơn giản, gồm ba chuỗi amino acid riêng biệt xoắn lại với nhau theo kiểu sợi dây thừng. Mỗi sợi được cấu tạo từ hàng nghìn amino acid mà chủ yếu là hai loại acid amin: glycin và prolin Gần một nửa lượng amino acid của collagen là glycine và alanin, ở những vị trí có liên kết amino và cacboxyl của glycine và alanin của chuỗi này sẽ liên kết với nhóm amino và cacboxyl của chuỗi kia ở vị trí tương ứng bằng liên kết hidro.
Cứ 3 chuỗi polypeptid sẽ xoắn ốc lại với nhau tạo thành một chuỗi lớn hơn, đó là sợi collagen có trong mô sống của động vật. Một điểm để phân biệt collagen với các loại protein khác là trình tự các acid amin được sắp xếp trong ba chuỗi đơn vị của Collagen. Mô hình phổ biển là Gly – X – Pro hoặc Gly – X – Hyp, trong đó X có thể là một phân tử acid amin bất kì nhưng Gly – Pro – Hyp là mô hình xuất hiện nhiều nhất nên gelatin được thu nhận từ collagen là một trong lưới phân tử có tính đàn hồi được nối với nhau bởi liên kết Hidro. Cấu trúc của gelatin 3 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: THS.
TRẦN THỊ NGỌC BÍCH 1. Tính chất của collagen a. Tính chất vật lí Collagen là một protein không tan trong nước nhưng có khả năng trương nở với mức tỉ lệ giới hạn co giãn khoảng 7% cho sợi ướt và 5% cho sợi khô. Ở 600C 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 thì collagen sẽ thủy phân thành gelatin.
Tính chất hóa học Collagen là protein duy nhất có thể chuyển thành gelatin khi đun sôi với nước nóng, đó là kết quả của quá trình mở vòng xoắn 3 sợi kèm với sự phá vỡ liên kết hidro. Do đó muốn sản xuất được gelatin thì phải kiểm soát được nhiệt độ ở mức thích hợp. Collagen bị thủy phân chậm bởi trysin và pepsin, trong khi đó gelatin dễ bị phân hủy hơn collagen. Collagen khi thêm cồn, muối, aceton hoặc heparin thì chúng có sợi dày và kết tủa.
[1] Collagen tan trong glycerin, acid acetid, ure nhưng không tan trong nước lạnh. Collagen không tan trong nước nhưng có thể hút nước để nở ra. Cứ 100g collagen khô có thể hút được 200g nước. Collagen có thể tác dụng với acid và kiềm do trong cấu trúc của collagen có gốc cacboxyl và amin.
- Phản ứng với acid và kiềm : Trên mạch collagen có các gốc amin và carboxyl nên collagen có tính chất lưỡng tính có thể tác dụng với acid lẫn kiềm. Trong môi trường acid các ion acid sẽ tác dụng với gốc amin, điện tích carboxyl bị ức chế hình thành acid yếu có độ ion hóa thấp. Trái lại gốc amin bị ion hóa tạo NH3+. 4 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: THS.
TRẦN THỊ NGỌC BÍCH Trong điều kiện có nước, nước có thể tác dụng với nhóm gốc có mang điện trong kết cấu protide và những ion Na+, Cl- hình thành tác dụng hợp nước phụ của collagen, khiến collagen trong môi trường acid, kiềm có độ hút nước cao hơn trong nước nguyên chất. Dưới tác dụng của các acid và kiềm đủ mạnh sẽ làm cho collagen bị biến đổi, đây là biến đổi quan trọng trong qua trình chuyển hóa collagen thành gelatin. Khi đó acid và kiềm sẽ cắt đứt các liên kết giữa – NH3+…COO- làm đứt mạch peptide trong mạch chính, phá vỡ các liên kết giữa các gốc – CO…NH- của mạch xung quanh, phân hủy acid amin trong mạch giải phóng amoniac. Khi cấu trúc collagen bị biến đổi thì pI của collagen hạ xuống thấp.
Tác dụng thủy phân của aicd và kiềm tăng khi nhiệt độ môi trường tăng. Mức độ thủy phân của acid và kiềm đối với collagen được đánh giá thông qua độ bền gel của gelatin – sản phẩm thủy phân của collagen [6]. Do đó trong quá trình trích ly gelatin cần phải khống chế nhiệt độ và thời gian thích hợp để đảm bảo chất lượng của gelatin thành phẩm. - Phản ứng với nước : Collagen không hòa tan trong nước ở nhiệt độ thường mà chỉ hút nước để trương nở ra cứ 100g collagen khô có thể hút được khoảng 200g nước, trong đó 70g là nước liên kết và 20g là liên kết vững chắc.
Khi tác dụng với nước độ dày của mạch tăng lên 25% và độ dài tăng lên không đáng kể, tổng diện tích của phân tử collagen tăng lên 2 – 3 lần. Do nước phân cực tác dụng lên liên kết hydro trong collagen làm giảm tính vững chắc của sợ gelatin từ 3 – 4 lần. Khi nhiệt độ tăng lên cao, tính hoạt động của mạch polypeptide tăng mạnh, làm cho mạch bị yếu đi và bắt đầu đứt thành những polypeptide tương đối nhỏ. Khi nhiệt độ tăng khoảng 60 – 650 C collagen hút nước bị phân giải [6].
Nhiệt độ phân giải của collagen trong nguyên liệu chưa xử lý tương đối cao. Khi nguyên liệu đã khử hết chất khoáng, thì nhiệt độ phân giải sẽ giảm xuống. Phân loại collagen theo nguồn gốc Da, gân, mạch máu, các cơ quan, xương Sụn (thành phần collagen chính của sụn) Reticulation thường được tìm thấy cùng loại 1 Hình thành lamina cơ bản, lớp biểu mô tiết ra của màng đáy 5 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: THS. TRẦN THỊ NGỌC BÍCH Bề mặt tế bào, tóc và nhau thai Bảng 1.
Phân loại collagen theo nguồn gốc Gân/ dây chằng Da Khớp Loại collagen I, II I, III II Tỉ lệ giữa các Gân: Dây chằng: Chiếm lượng rất loại collagen I: 80-85% I: 95-99% I: 90% lớn trong chất nền, trong cấu III: 10 – 15% II: 1-5% II: 10% sụn khớp trúc 1. Chức năng của collagen Collagen có vai trò làm giá đỡ cho các mô, các cơ quan và liên kết các cấu trúc này với xương. Collagen là thành phần trong cấu trúc của da biểu thị sự khỏe mạnh và độ bền của da. Vì collagen là loại protein chiếm đến ¼ tổng lượng protein, đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các mô trong cơ thể và củng cố thành mạch, tạo ra hệ thống nâng đỡ, hỗ trợ các đặc tính cơ học của da như sức căng, độ ẩm, độ đàn hồi.
Collagen có nhiều trong mô liên kết của da cá tương tự như sợi collagen có trong động vật có vú tuy nhiên collagen ở cá kém bền nhiệt hơn so với collagen của động vật máu nóng có xương sống. Ứng dụng của collagen Ngày nay collagen được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau đặc biệt là lĩnh vực y học và thực phẩm. Trong công nghiệp thực phẩm: Collagen được dùng làm vỏ bao, màng bọc kẹo, làm nguyên liệu sản xuất 1 số loại thực phẩm dinh dưỡng, thực phẩm chức năng. Trong mỹ phẩm: Collagen tạo ra hệ thống nâng đỡ, hỗ trợ các đặc tính cơ học của da như sức căng, độ đàn hồi, duy trì độ ẩm, làm cho da mịn màng, trẻ trung.
Ngoài ra, collagen kích thích quá trình tái tạo làn da nên được dùng làm nguyên liệu chính để sản xuất các sản phẩm như kem dưỡng da, dầu gội, mặt nạ, các loại dưỡng tóc cũng như sữa tắm. 6 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: THS. TRẦN THỊ NGỌC BÍCH Trong y học và dược phẩm: Collagen là vật liệu có khả năng phân hủy sinh học, có tính tương thích sinh học cũng như cầm máu nên có thể chế tạo thành những dạng khác nhau, là loại vật liệu lí tưởng để sản xuất sản phẩm y học như gạc vô trùng.Collagen được sử dụng như 1 hệ thống phân hủy sinh học cho ra các loại thuốc bao gồm thuốc tránh thai, kháng sinh, insulin, hormone tăng trưởng.Collagen được sử dụng rộng rãi trong phẫu thuật thẩm mỹ, chữa lành vết thương cho bệnh nhân bị bỏng, tái tạo xương và nhiều mục đích nha khoa, phẫu thuật, chỉnh hình. Sự chuyển đổi từ collagen thành gelatin Sự chuyển đổi collagen thành gelatin là sự chuyển đổi chủ yếu xảy ra trong việc sản xuất gelatin.
Đó là sự chuyển đổi của những sợi collagen có tổ chức cao, những sợi này không tan trong nước, tạo thành hệ thống khử polyme gọi là gelatin (Veis,1964). Sự phức tạp trong cấu trúc của collagen là sự đa dạng của các phương pháp xử lý bằng enzyme và hoá chất có thể áp dụng trong sản xuất gelatin, giải thích sự hiện diện đa dạng của nhiều loại gelatin. Mặc dù những phương pháp kiểm soát chất lượng và sản xuất hiện đại đã được sử dụng nhưng sản xuất gelatin thương mại vẫn còn phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm. Nó đòi hỏi phải xúc tác thuỷ phân bằng axit hay kiềm cho ra gelatin, một dạng keo trong nước ( việc thuỷ phân bằng enzyme cũng được sử dụng).
Cách đơn giản nhất để chuyển đổi collagen thành gelatin là làm biến đổi tính tan của collagen. Biến tính nhiệt có thể được thực hiện bằng cách gia nhiệt collagen trong môi trường axit yếu đến 400C. Ở chế độ xử lý này, các sợi collagen tách ra thành các đơn vị tropocollagen do bị cắt đứt các liên kết hidro và liên kết nước, việc này giúp cho sự ổn định đường xoắn ốc của collagen (Josh và Courts, 1977). Giai đoạn tiếp theo trong sự thuỷ phân collagen là sự duỗi thẳng của mạch, bao gồm việc cắt đứt cầu nối giữa các phân tử của 3 chuỗi xoắn ốc và giúp gelatin hoà tan.
Giới thiệu về gelatin 1. Định nghĩa Gelatin là một loại protein với cấu trúc là chuỗi polypeptide lớn và phức tạp với thành phần là các amino acid giống collagen mà tổng hợp được từ việc thủy phân collagen có trong da, xương và các mô của động vật. Với cấu trúc là protein tạo bởi axit 7 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: THS. TRẦN THỊ NGỌC BÍCH amin sắp xếp trên một chuỗi đường thẳng và được liên kết bởi hai hay nhiều acid amin, là hỗn hợp dị thể các sợi polypeptide đơn và đa.
Gelatin không có sẵn trong tự nhiên nhưng nó được chiết xuất bằng cách phá hủy các cấu trúc bậc 2 hoặc cao hơn của protein collagen ở các nhiệt độ khác nhau.