Luận văn: Nghiên cứu khả năng kết dính của gelatin và ứng dụng thực tiễn

Luận văn nghiên cứu khả năng kết dính của gelatin, so sánh gelatin từ da cá ngừ và gelatin thương mại, đánh giá ứng dụng trong công nghệ thực phẩm.

• Tác giả: Đinh Văn Bình
• Người hướng dẫn: Ts. Phan Thế Anh.
• Trường học: Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm và đồ uống
• Đề tài: Nghiên Cứu Đánh Giá Khả Năng Kết Dính Của Gelatin Và Ứng Dụng Trong Công Nghệ Thực Phẩm
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Bí mật về khả năng kết dính của gelatin trong thực phẩm

Gelatin, một protein đa chức năng, đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm nhờ vào các đặc tính độc đáo. Về bản chất, khả năng kết dính của gelatin không phải là một hiện tượng đơn lẻ mà là kết quả của một chuỗi các tương tác hóa lý phức tạp. Nguồn gốc của gelatin là từ collagen, protein cấu trúc chính trong da và xương động vật. Thông qua quá trình thủy phân collagen có kiểm soát bằng axit hoặc kiềm, cấu trúc xoắn ba bền vững của collagen bị phá vỡ, giải phóng các chuỗi polypeptide tạo thành gelatin. Chính các chuỗi polypeptide này, với cấu trúc và thành phần axit amin đặc trưng, là nền tảng cho các tính chất chức năng của nó. Khi được hòa tan trong nước và sau đó làm nguội, các chuỗi này tái sắp xếp và liên kết với nhau thông qua các liên kết hydro trong gel, hình thành một cấu trúc mạng lưới gelatin ba chiều có khả năng giữ một lượng lớn nước. Cấu trúc này không chỉ tạo ra gel mà còn là cơ sở cho khả năng kết dính, hoạt động như một chất keo tự nhiên. Các yếu tố như độ bền gel của gelatin, được đo bằng độ Bloom của gelatin, và độ nhớt của dung dịch gelatin là những chỉ số quan trọng để đánh giá chất lượng và hiệu quả ứng dụng. Một sản phẩm có độ Bloom cao thường tạo ra mối dán cứng và bền hơn. Vì vậy, việc hiểu rõ bản chất và các yếu tố ảnh hưởng là bước đầu tiên để khai thác tối đa tiềm năng của gelatin như một phụ gia tạo kết dính an toàn và hiệu quả, giúp cải thiện cấu trúc sản phẩm một cách tự nhiên.

1.1. Từ collagen đến gelatin Quá trình thủy phân then chốt

Sự chuyển đổi từ collagen sang gelatin là một quá trình biến tính có kiểm soát. Collagen tự nhiên là một protein không hòa tan, có cấu trúc bậc bốn gồm ba chuỗi polypeptide xoắn lại với nhau. Quá trình sản xuất gelatin bao gồm việc phá vỡ các liên kết ngang và liên kết hydro giữ các chuỗi này lại với nhau. Có hai phương pháp chính: xử lý bằng axit (tạo ra gelatin loại A) và xử lý bằng kiềm (tạo ra gelatin loại B). Theo tài liệu nghiên cứu của Đinh Văn Bình (2016), việc lựa chọn phương pháp xử lý ảnh hưởng trực tiếp đến thành phần axit amin và trọng lượng phân tử của sản phẩm cuối cùng. Quá trình thủy phân collagen này làm giảm kích thước phân tử và tăng khả năng hòa tan trong nước nóng. Kết quả là một sản phẩm protein tinh khiết, có khả năng tạo gel khi làm mát, một đặc tính mà collagen ban đầu không có. Đây là nền tảng cho mọi ứng dụng của gelatin trong thực phẩm.

1.2. Các tính chất vật lý quyết định độ bền của liên kết

Hai thông số quan trọng nhất xác định chất lượng của gelatin là độ bền gel và độ nhớt. Độ bền gel của gelatin, thường được biểu thị bằng giá trị Bloom, là thước đo độ cứng của gel được tạo thành trong điều kiện tiêu chuẩn. Giá trị Bloom càng cao, gel càng cứng và khả năng kết dính càng mạnh. Độ nhớt của dung dịch gelatin phản ánh sức cản của dung dịch đối với dòng chảy và liên quan đến trọng lượng phân tử trung bình của các chuỗi polypeptide. Độ nhớt ảnh hưởng đến khả năng trải đều của dung dịch keo trên bề mặt vật liệu và thời gian đông kết. Một gelatin chất lượng cao phải có sự cân bằng giữa độ Bloom và độ nhớt để đáp ứng các yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng, từ việc tạo kết cấu cho kẹo dẻo đến việc kết dính các sản phẩm thịt chế biến.

1.3. Phân loại gelatin Nguồn gốc và phương pháp sản xuất

Gelatin được phân loại dựa trên hai tiêu chí chính: nguồn gốc nguyên liệu và quy trình sản xuất. Về nguồn gốc, gelatin truyền thống được sản xuất từ phế phụ phẩm của ngành chế biến gia súc, chủ yếu là gelatin từ da heo và gelatin từ da bò. Tuy nhiên, do các vấn đề liên quan đến tôn giáo và dịch bệnh, gelatin từ da cá, đặc biệt là cá ngừ, đang nổi lên như một giải pháp thay thế tiềm năng. Về phương pháp sản xuất, gelatin loại A (xử lý axit) có điểm đẳng điện (pI) trong khoảng 7.0–9.0, trong khi gelatin loại B (xử lý kiềm) có pI trong khoảng 4.7–5.2. Sự khác biệt về điểm đẳng điện này ảnh hưởng đến hoạt động của gelatin trong các hệ thống thực phẩm có độ pH khác nhau, do đó việc lựa chọn loại gelatin phù hợp là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu quả.

II. Thách thức khi tối ưu hóa khả năng kết dính của gelatin

Mặc dù khả năng kết dính của gelatin rất tiềm năng, việc ứng dụng hiệu quả trong thực tế phải đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật. Tối ưu hóa quá trình kết dính đòi hỏi sự kiểm soát chặt chẽ nhiều yếu tố tương tác lẫn nhau. Yếu tố đầu tiên là nồng độ dung dịch. Nồng độ quá thấp sẽ không đủ tạo ra một cấu trúc mạng lưới gelatin đủ mạnh, dẫn đến mối dán yếu. Ngược lại, nồng độ quá cao làm tăng độ nhớt của dung dịch gelatin một cách đột ngột, gây khó khăn cho việc phết keo và làm giảm khả năng thấm ướt bề mặt. Thách thức thứ hai là nhiệt độ. Quá trình tạo gel và hình thành liên kết phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Nhiệt độ nóng chảy của gel phải đủ cao để duy trì trạng thái rắn ở nhiệt độ bảo quản, nhưng cũng phải đủ thấp để tan chảy trong miệng, tạo cảm giác dễ chịu. Thời gian chờ sau khi dán cũng là một biến số quan trọng, vì các liên kết hydro trong gel cần thời gian để hình thành và ổn định. Ngoài ra, việc tìm kiếm nguồn gelatin thay thế, chẳng hạn như gelatin từ da cá, cũng đặt ra thách thức về việc chuẩn hóa quy trình chiết xuất để đảm bảo chất lượng ổn định, tương đương với các sản phẩm truyền thống như gelatin từ da heo hay gelatin từ da bò. Việc giải quyết những thách thức này là chìa khóa để khai thác toàn bộ tiềm năng của gelatin như một chất ổn định thực phẩm và kết dính hiệu quả.

2.1. Ảnh hưởng của nồng độ đến độ nhớt và khả năng tạo gel

Nồng độ gelatin trong dung dịch là một trong những yếu tố ảnh hưởng mạnh mẽ nhất đến đặc tính lưu biến và khả năng tạo gel. Theo nghiên cứu, khi nồng độ tăng, khoảng cách giữa các phân tử gelatin giảm xuống, tạo điều kiện thuận lợi cho việc hình thành các liên kết chéo và xây dựng một mạng lưới ba chiều vững chắc hơn. Điều này trực tiếp làm tăng cả độ nhớt của dung dịch gelatin và độ bền gel của gelatin (giá trị Bloom). Tuy nhiên, mối quan hệ này không tuyến tính. Vượt qua một ngưỡng nồng độ tối ưu, dung dịch có thể trở nên quá đặc, cản trở quá trình hòa tan và phân tán đồng đều, thậm chí có thể gây ra hiện tượng vón cục. Do đó, việc xác định nồng độ phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể là một bài toán cân bằng giữa độ bền mối dán mong muốn và tính khả thi trong quá trình sản xuất.

2.2. Tác động của nhiệt độ và thời gian chờ đến độ bền

Nhiệt độ và thời gian là hai yếu tố không thể tách rời trong quá trình tạo gel của gelatin. Sau khi được hòa tan ở nhiệt độ cao, dung dịch gelatin cần được làm nguội xuống dưới nhiệt độ nóng chảy của gel để quá trình hình thành mạng lưới bắt đầu. Tốc độ làm lạnh ảnh hưởng đến cấu trúc của gel: làm lạnh chậm thường tạo ra một mạng lưới có trật tự và bền vững hơn. Thời gian chờ (hay thời gian ủ) sau khi đạt nhiệt độ mong muốn cũng rất quan trọng. Trong giai đoạn này, các chuỗi polypeptide tiếp tục sắp xếp và hình thành thêm các liên kết hydro, làm tăng dần độ cứng và độ bền của mối dán. Nghiên cứu của Đinh Văn Bình (2016) đã khảo sát sự phụ thuộc của độ kết dính vào thời gian chờ và nhiệt độ bảo quản, cho thấy độ bền đạt cực đại sau một khoảng thời gian nhất định và ở điều kiện nhiệt độ thấp.

2.3. Tìm kiếm giải pháp thay thế gelatin từ động vật có vú

Nhu cầu thay thế gelatin trong thực phẩm có nguồn gốc từ động vật có vú (heo, bò) xuất phát từ nhiều lý do, bao gồm các quy định về tôn giáo (Halal, Kosher), lo ngại về các bệnh truyền nhiễm (bệnh bò điên), và xu hướng tiêu dùng sản phẩm từ thủy sản. Da cá, một phế phẩm lớn của ngành công nghiệp chế biến thủy sản, là một nguồn nguyên liệu dồi dào để sản xuất gelatin. Tuy nhiên, gelatin cá thường có nhiệt độ nóng chảy của gel và độ bền gel của gelatin thấp hơn so với gelatin từ động vật có vú do hàm lượng axit amin proline và hydroxyproline thấp hơn. Đây là một thách thức lớn, đòi hỏi các nghiên cứu sâu hơn về việc tối ưu hóa quy trình chiết xuất và biến tính để cải thiện các đặc tính chức năng, giúp gelatin cá có thể cạnh tranh và thay thế hiệu quả gelatin truyền thống.

III. Phương pháp đánh giá độ bền gel và độ Bloom của gelatin

Để định lượng và so sánh hiệu quả của các loại gelatin khác nhau, các phương pháp phân tích tiêu chuẩn là không thể thiếu. Trọng tâm của việc đánh giá chất lượng gelatin là xác định độ bền gel của gelatin, một chỉ số trực tiếp phản ánh khả năng tạo thành một cấu trúc vững chắc. Tiêu chuẩn vàng trong ngành là phép đo độ Bloom của gelatin. Phép đo này sử dụng một thiết bị chuyên dụng (máy đo kết cấu) để tác dụng một lực nén lên bề mặt của một khối gel gelatin 6.67% đã được chuẩn bị và ủ trong điều kiện nhiệt độ và thời gian nghiêm ngặt. Lực cần thiết để piston chuẩn (đường kính 12.7 mm) lún sâu 4 mm vào khối gel được ghi lại và biểu thị bằng đơn vị gram Bloom. Giá trị Bloom càng cao, mạng lưới gel càng mạnh mẽ. Về mặt phân tử, độ Bloom có tương quan chặt chẽ với mật độ và sự ổn định của cấu trúc mạng lưới gelatin, vốn được củng cố bởi các liên kết hydro trong gel. Bằng cách áp dụng phương pháp này, nghiên cứu có thể so sánh một cách khách quan khả năng kết dính của gelatin từ các nguồn khác nhau, chẳng hạn như gelatin từ da cá ngừ và gelatin thương mại, từ đó đưa ra những kết luận khoa học đáng tin cậy về tiềm năng ứng dụng của chúng như một phụ gia tạo kết dính.

3.1. Quy trình đo lường độ Bloom để xác định độ cứng gel

Phép đo độ Bloom của gelatin là một quy trình được tiêu chuẩn hóa toàn cầu. Đầu tiên, một dung dịch gelatin có nồng độ chính xác 6.67% (kl/kl) được chuẩn bị bằng cách ngâm gelatin trong nước lạnh và sau đó đun nóng nhẹ đến khoảng 65°C để hòa tan hoàn toàn. Dung dịch này sau đó được đổ vào các lọ Bloom tiêu chuẩn, làm nguội ở nhiệt độ phòng và ủ trong tủ lạnh ở 10°C trong 16-18 giờ. Sau thời gian ủ, máy đo kết cấu được sử dụng để đo lực (tính bằng gram) cần thiết để một piston chuẩn lún vào bề mặt gel. Kết quả này, được gọi là giá trị Bloom, cung cấp một con số định lượng, khách quan về độ cứng của gel. Quy trình này đảm bảo tính nhất quán và khả năng so sánh kết quả giữa các phòng thí nghiệm và các lô sản phẩm khác nhau.

3.2. Phân tích cấu trúc mạng lưới gelatin và liên kết hydro

Đằng sau chỉ số Bloom là một cấu trúc mạng lưới gelatin phức tạp ở cấp độ phân tử. Khi dung dịch gelatin được làm lạnh, các chuỗi polypeptide bắt đầu chuyển từ dạng cuộn ngẫu nhiên (trạng thái lỏng) sang dạng xoắn ốc cục bộ, tương tự như cấu trúc collagen ban đầu. Các vùng xoắn ốc này từ các chuỗi khác nhau sau đó liên kết lại với nhau tại các "nút giao", chủ yếu thông qua các liên kết hydro trong gel giữa các nhóm chức trên chuỗi polypeptide. Những nút giao này tạo thành một mạng lưới ba chiều liên tục, có khả năng bẫy các phân tử nước bên trong. Mật độ của các nút giao và độ bền của các vùng xoắn ốc quyết định độ cứng và độ đàn hồi của gel, và do đó, ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị Bloom và khả năng kết dính của gelatin.

3.3. So sánh độ bền gel giữa gelatin da cá và gelatin thương mại

Nghiên cứu của Đinh Văn Bình (2016) đã tiến hành đo và so sánh giá trị Bloom của các mẫu gelatin khác nhau. Kết quả cho thấy mẫu gelatin thu được từ da cá ngừ qua xử lý kết hợp axit-bazơ (mẫu AB) có giá trị Bloom cao nhất, thậm chí vượt qua cả mẫu gelatin thương mại (Knox) và chế phẩm gelatin (Powder). Cụ thể, mẫu AB đạt giá trị Bloom cao, trong khi mẫu Knox và Powder có giá trị thấp hơn. Điều này chứng tỏ rằng, với quy trình chiết xuất được tối ưu hóa, gelatin từ da cá hoàn toàn có thể đạt được độ bền gel của gelatin tương đương hoặc thậm chí cao hơn so với gelatin truyền thống từ động vật có vú. Phát hiện này mở ra một hướng đi đầy hứa hẹn cho việc tận dụng phế phẩm thủy sản để tạo ra một phụ gia tạo kết dính có giá trị cao.

IV. Hướng dẫn cải thiện cấu trúc sản phẩm bằng gelatin

Gelatin không chỉ là một chất kết dính mà còn là một công cụ linh hoạt để cải thiện cấu trúc sản phẩm thực phẩm. Với vai trò là một chất ổn định thực phẩm, nó ngăn chặn sự tách pha trong các hệ nhũ tương như sốt mayonnaise hoặc kem. Bằng cách hình thành một mạng lưới gel mịn, gelatin có thể ổn định các giọt chất béo, ngăn chúng kết tụ lại với nhau. Hơn nữa, khả năng giữ nước vượt trội của gelatin giúp duy trì độ ẩm, ngăn ngừa hiện tượng rỉ nước (syneresis) trong các sản phẩm như thạch, sữa chua và các món tráng miệng. Điều này không chỉ cải thiện cảm quan mà còn kéo dài thời hạn sử dụng của sản phẩm. Gelatin cũng hoạt động như một chất nhũ hóa tự nhiên, giúp phân tán đồng đều các thành phần dầu và nước. Tùy thuộc vào yêu cầu của sản phẩm cuối cùng, việc lựa chọn nguồn gelatin phù hợp là rất quan trọng. Gelatin từ da heo thường tạo gel cứng và trong, lý tưởng cho kẹo dẻo. Gelatin từ da bò có xu hướng tạo gel mềm hơn một chút. Trong khi đó, gelatin từ da cá ngừ, như đã chứng minh trong nghiên cứu, có thể cung cấp độ bền gel của gelatin cao, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi sự kết dính mạnh mẽ. Việc hiểu rõ những đặc tính này cho phép các nhà sản xuất thực phẩm sử dụng gelatin một cách chiến lược để tạo ra các sản phẩm có kết cấu mong muốn.

4.1. Vai trò của gelatin như một chất ổn định thực phẩm tự nhiên

Trong nhiều sản phẩm thực phẩm, việc duy trì một cấu trúc đồng nhất và ổn định theo thời gian là một thách thức. Gelatin hoạt động như một chất ổn định thực phẩm hiệu quả nhờ vào khả năng tạo thành một mạng lưới gel ở nồng độ thấp. Mạng lưới này làm tăng độ nhớt của pha lỏng, làm chậm sự lắng của các hạt rắn (như trong nước ép trái cây có thịt quả) hoặc sự nổi lên của các giọt kem. Trong các sản phẩm đông lạnh như kem, gelatin kiểm soát sự hình thành các tinh thể đá, giữ cho kết cấu sản phẩm luôn mềm mịn thay vì bị sạn đá. Vì có nguồn gốc tự nhiên từ collagen, gelatin được người tiêu dùng chấp nhận rộng rãi như một thành phần an toàn và quen thuộc, khác với nhiều chất ổn định tổng hợp khác.

4.2. Kỹ thuật tối ưu hóa khả năng giữ nước và nhũ hóa

Khả năng giữ nước là một trong những đặc tính chức năng quan trọng nhất của gelatin. Cấu trúc mạng lưới ba chiều của nó có thể giữ một lượng nước gấp 5-10 lần khối lượng của chính nó. Để tối ưu hóa khả năng này, cần kiểm soát các yếu tố như pH và sự có mặt của các loại muối. Độ pH gần điểm đẳng điện của gelatin sẽ làm giảm lực đẩy tĩnh điện giữa các chuỗi, thúc đẩy sự hình thành mạng lưới và tăng khả năng giữ nước. Về tính chất nhũ hóa, gelatin là một chất nhũ hóa tự nhiên lưỡng tính. Các vùng kỵ nước trên chuỗi polypeptide sẽ hướng vào pha dầu, trong khi các vùng ưa nước hướng ra pha nước, tạo thành một lớp màng bảo vệ quanh các giọt dầu và ngăn chúng hợp nhất. Việc lựa chọn gelatin loại A hay B cũng ảnh hưởng đến hiệu quả nhũ hóa ở các mức pH khác nhau.

4.3. Lựa chọn gelatin phù hợp da heo da bò hay da cá ngừ

Việc lựa chọn loại gelatin phù hợp phụ thuộc hoàn toàn vào ứng dụng cuối cùng. Gelatin từ da heo, thường là loại A (xử lý axit), có độ trong cao và hương vị trung tính, rất phổ biến trong ngành bánh kẹo. Gelatin từ da bò, thường là loại B (xử lý kiềm), được ưa chuộng trong các sản phẩm sữa và dược phẩm. Gelatin từ da cá ngừ, như được nghiên cứu, cho thấy tiềm năng lớn như một phụ gia tạo kết dính mạnh mẽ. Nó có ưu điểm là phù hợp với các yêu cầu Halal và Kosher và giải quyết được vấn đề tận dụng phụ phẩm thủy sản. Tuy nhiên, gelatin cá có thể có mùi tanh nhẹ nếu không được xử lý kỹ và có điểm nóng chảy thấp hơn, điều này có thể là lợi thế trong các sản phẩm cần tan nhanh trong miệng nhưng lại là nhược điểm trong điều kiện khí hậu nóng.

V. Top ứng dụng của gelatin trong công nghệ thực phẩm hiện đại

Với những đặc tính đa dạng, ứng dụng của gelatin bao trùm một phạm vi rộng lớn trong ngành công nghiệp thực phẩm. Một trong những ứng dụng phổ biến nhất là trong ngành bánh kẹo, nơi gelatin tạo ra kết cấu dai, đàn hồi đặc trưng cho các loại kẹo dẻo, kẹo marshmallow. Trong ngành công nghiệp sữa, nó được dùng làm chất ổn định thực phẩm trong sữa chua, panna cotta và kem để ngăn ngừa sự tách nước và tạo cảm giác mịn màng. Đối với ngành chế biến thịt, khả năng kết dính của gelatin được khai thác để kết dính các miếng thịt nhỏ lại với nhau trong sản phẩm thịt nguội, giăm bông, hoặc cải thiện kết cấu của xúc xích. Nghiên cứu của Đinh Văn Bình (2016) đã chứng minh hiệu quả kết dính của gelatin trên các nền thực phẩm đa dạng như bánh tráng (nền tinh bột) và gluten (nền protein). Kết quả cho thấy gelatin, đặc biệt là gelatin từ da cá ngừ, có thể tạo ra mối dán bền chắc trên nhiều bề mặt khác nhau. Tiềm năng này mở ra các ứng dụng của gelatin trong việc tạo hình các sản phẩm thủy sản tái cấu trúc, tận dụng các nguồn phụ phẩm và nâng cao giá trị gia tăng cho ngành thủy sản. Ngoài ra, gelatin còn được sử dụng để làm trong rượu vang và bia, sản xuất vỏ nang cho dược phẩm và thực phẩm chức năng.

5.1. Khảo sát khả năng kết dính trên các nền thực phẩm khác nhau

Để đánh giá tính linh hoạt của gelatin, nghiên cứu đã thử nghiệm khả năng kết dính của gelatin trên ba loại nền mô hình: bánh tráng Đại Lộc (đại diện cho tinh bột), gluten bột mỳ (đại diện cho protein kỵ nước), và màng đậu nành (đại diện cho protein ưa nước). Thử nghiệm này mô phỏng các ứng dụng thực tế, nơi gelatin cần liên kết với các bề mặt có bản chất hóa học khác nhau. Việc đánh giá trên nhiều nền tảng giúp xác định phạm vi ứng dụng của gelatin và hiểu rõ hơn về cơ chế tương tác giữa gelatin và các thành phần thực phẩm khác nhau. Kết quả cho thấy gelatin có khả năng bám dính tốt trên cả ba bề mặt, tuy nhiên độ bền của mối dán chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố như nồng độ gelatin và điều kiện bảo quản.

5.2. Kết quả nghiên cứu độ kết dính trên bánh tráng và gluten

Các kết quả thực nghiệm trong luận văn cho thấy độ kết dính của dung dịch gelatin tăng theo nồng độ và thời gian chờ, đạt đến một điểm cực đại trước khi ổn định. Trên bề mặt bánh tráng, độ kết dính tăng đáng kể khi nồng độ gelatin tăng từ 10% lên 25%. Tương tự, trên nền gluten bột mỳ, độ bền mối dán cũng cho thấy sự phụ thuộc rõ rệt vào nồng độ và thời gian. Điều thú vị là nhiệt độ bảo quản có ảnh hưởng lớn. Bảo quản ở nhiệt độ thấp (4°C hoặc -18°C) giúp tăng cường độ bền mối dán một cách đáng kể so với bảo quản ở nhiệt độ phòng (25°C) hay nhiệt độ cao (40°C). Điều này khẳng định tầm quan trọng của quá trình làm lạnh trong việc ổn định cấu trúc mạng lưới gelatin và tối ưu hóa lực liên kết.

5.3. Tiềm năng của gelatin da cá ngừ trong ngành thủy sản

Ngành chế biến thủy sản tạo ra một lượng lớn phế phẩm, trong đó da cá ngừ là nguồn nguyên liệu giàu collagen. Việc chiết xuất gelatin từ da cá ngừ không chỉ giúp giải quyết vấn đề môi trường mà còn tạo ra một sản phẩm có giá trị gia tăng cao. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng gelatin da cá ngừ có độ bền gel của gelatin và khả năng kết dính rất tốt, có thể được ứng dụng để tạo ra các sản phẩm thủy sản tái cấu trúc, surimi, hoặc làm chất kết dính cho các sản phẩm tẩm bột chiên. Việc sử dụng gelatin từ chính nguồn cá sẽ tạo ra một sản phẩm "sạch" và đồng nhất, đáp ứng được nhu cầu của thị trường về các sản phẩm tự nhiên, bền vững và không gây dị ứng cho những người không thể sử dụng sản phẩm từ gia súc.

VI. Tương lai của gelatin và các chất thay thế như agar agar

Trong bối cảnh ngành công nghiệp thực phẩm ngày càng hướng tới sự bền vững và minh bạch, tương lai của gelatin đang được định hình bởi hai xu hướng chính: đa dạng hóa nguồn cung và sự phát triển của các chất thay thế. Xu hướng sử dụng gelatin từ các nguồn bền vững như phế phẩm thủy sản đang ngày càng trở nên quan trọng. Việc này không chỉ giảm thiểu chất thải mà còn cung cấp một giải pháp thay thế cho gelatin truyền thống, đáp ứng các yêu cầu về tôn giáo và sức khỏe. Song song đó, nhu cầu thay thế gelatin trong thực phẩm, đặc biệt là trong các sản phẩm chay và thuần chay, đã thúc đẩy sự phát triển của các hydrocolloid có nguồn gốc thực vật. Các chất như agar-agar và pectin đang được sử dụng rộng rãi. Agar-agar, chiết xuất từ rong biển, tạo ra một loại gel cứng và giòn với nhiệt độ nóng chảy cao, phù hợp cho các món thạch ở vùng khí hậu nóng. Pectin, có nguồn gốc từ trái cây, cần đường và axit để tạo gel, lý tưởng cho mứt và thạch trái cây. Mặc dù các chất thay thế này có những ưu điểm riêng, chúng không thể tái tạo hoàn toàn cảm giác tan trong miệng và kết cấu đàn hồi độc đáo của gelatin. Do đó, hướng nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc cải tiến tính năng của gelatin cá và phát triển các hỗn hợp hydrocolloid để mô phỏng tốt nhất các đặc tính của gelatin.

6.1. Xu hướng sử dụng gelatin từ nguồn thủy sản bền vững

Tận dụng phụ phẩm từ ngành công nghiệp thủy sản là một chiến lược then chốt trong nền kinh tế tuần hoàn. Da và xương cá, vốn thường bị loại bỏ, là nguồn nguyên liệu dồi dào và bền vững để sản xuất gelatin. Xu hướng này giúp giảm áp lực lên môi trường, tạo thêm thu nhập cho ngành thủy sản và cung cấp một sản phẩm gelatin "sạch" không liên quan đến các bệnh ở động vật trên cạn. Để gelatin từ thủy sản có thể cạnh tranh, các nghiên cứu cần tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chiết xuất để tối đa hóa hiệu suất và chất lượng, đồng thời khắc phục các nhược điểm như mùi tanh và độ bền gel thấp hơn so với gelatin từ động vật có vú.

6.2. So sánh gelatin với agar agar và pectin trong ứng dụng

Khi lựa chọn chất tạo gel, việc hiểu rõ sự khác biệt giữa gelatin, agar-agar và pectin là rất quan trọng. Gelatin (nguồn gốc động vật) tạo ra gel đàn hồi, trong suốt và tan chảy ở nhiệt độ gần bằng nhiệt độ cơ thể. Agar-agar (nguồn gốc rong biển) tạo ra gel cứng, giòn, đục hơn và có nhiệt độ nóng chảy cao (khoảng 85°C), do đó gel không tan trong miệng. Pectin (nguồn gốc thực vật) cần có môi trường axit và nồng độ đường cao để tạo gel, kết cấu của nó giống mứt hơn là gel đàn hồi. Không có chất nào là tốt hơn tuyệt đối; sự lựa chọn phụ thuộc vào kết cấu, điểm nóng chảy, và yêu cầu về thành phần (thuần chay, không đường) của sản phẩm cuối cùng. Việc kết hợp các chất này cũng là một hướng đi để tạo ra những kết cấu mới lạ.

6.3. Hướng nghiên cứu cải tiến tính năng kết dính của gelatin

Để nâng cao hơn nữa khả năng kết dính của gelatin, các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào một số lĩnh vực. Thứ nhất là biến tính hóa học hoặc enzyme để tăng cường các liên kết ngang trong cấu trúc mạng lưới gelatin, từ đó cải thiện độ bền cơ học và khả năng chịu nhiệt. Ví dụ, việc sử dụng enzyme transglutaminase có thể tạo ra các liên kết cộng hóa trị bền vững giữa các chuỗi gelatin. Thứ hai là nghiên cứu về sự tương tác của gelatin với các hydrocolloid khác (agar-agar, pectin, tinh bột) để tạo ra các hệ thống kết dính tổng hợp với các đặc tính được tùy chỉnh. Cuối cùng, việc áp dụng các công nghệ tiên tiến như xử lý áp suất cao hoặc siêu âm trong quá trình tạo gel có thể giúp tạo ra các cấu trúc vi mô mới, cải thiện cả độ bền gel của gelatin và hiệu quả kết dính.

Trích đoạn nội dung tài liệu

phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục, trong luận văn gồm có các chƣơng nhƣ sau : - Chƣơng 1: Tổng quan - Chƣơng 2: Nguyên liệu và phƣơng pháp nghiên cứu - Chƣơng 3: Kết quả và bàn luận 8 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT KEO THƢ̣C PHẨM 1. Giới thiệu về chất keo thực phẩm Các hợp chất keo thực phẩm thƣờng đƣợc ngành công nghiệp thực phẩm và phụ gia gọi theo những ứng dụng của chúng là: các hợp chất ổn định/làm bền, chất làm đặc hay là chất tạo gel. Trong tự nhiên các hợp chất này vốn có sẵn trong cơ thể sinh vật và chúng có chức năng quan trọng giúp sinh vật phát triển tốt.

Trong công nghiệp thực phẩm, nhiều hợp chất loại này đƣợc chiết xuất từ nguyên liệu tự nhiên bao gồm các nguồn thực vật trên cạn, dƣới nƣớc hay động vật, vi sinh vật. Hợp chất keo đƣa vào thực phẩm để tạo ra sự thay đổi về cấu trúc ngoại quan, tính lƣu biến hay tính chất cảm quan tùy theo yêu cầu của ngƣời tiêu dùng. Với những ứng dụng hiệu quả trong lĩnh vực công nghiệp, keo thực phẩm đƣợc xem là chủ đề hấp dẫn và đầy hứa hẹn, thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu cũng nhƣ doanh nghiệp ứng dụng sản phẩm. Có thể liệt kê 4 vai trò lợi ích mà keo thực phẩm mang lại nhƣ sau: - Cung cấp sự tiện lợi vì sự sẵn có trong tự nhiên và cơ thể sinh vật.

- Cải thiện và nâng cao chất lƣợng vì các đặc tính quan trọng: tạo gel, tạo đă ̣c, làm chất ổn định hoặc làm bền. - Có lợi ích chức năng cho sức khỏe vì đƣợc xem là có các đặc tính của chất xơ. - Hạ giá thành sản phẩm một cách đáng kể khi đƣơ ̣c sƣ̉ du ̣ng để thay thế các chất keo khác. Phân loại và tính chất chung của keo thực phẩm Về mặt phân loại keo thực phẩm, ngƣời ta thƣờng phân loại theo nguồn gốc, xuất xứ trong tự nhiên cũng nhƣ bản chất tự nhiên hay bán tổng hợp của chúng, một cách khái quát có thể phân thành 2 loại: keo thực phẩm tự nhiên 9 và keo thực phẩm bán tổng hợp.

Bảng 1 liệt kê các loại keo thực phẩm tự nhiên và keo thực phẩm bán tổng hợp. Các loại keo thực phẩm thông dụng Keo thực phẩm tự nhiên Gum Aribic (acacia gum) Gum Tracaganth Trong dịch chiết từ cây (nhựa cây) Gum Kayara Locust bean gum (LBG) Trong hạt hoặc củ Guar gum Konjac flour Agar Trong rong biển Alginate Carrageenan Pectin Nguồn khác Gelatin Tinh bột Keo thực phẩm bán tổng hợp Carboxymethyl cellulose ( CMC) Dẫn xuất từ cellulose Methyl cellulose Microcrystalline celluse (MC) Carboxylmethyl starch Dẫn xuất từ tinh bột (tinh bột biến tính) Hydroxyethyl starch Hydropropyl starch Xanthan gum Tổng hợp từ vi sinh vật Dextran 10 Keo thực phẩm bán tổng hợp Low methoxyl pectin (LMP) Propylene glycol alginate Nguồn khác Carboxylmethyl locus bean gum Carboxymethyl guar gum Tính chất chung của keo thực phẩm là tạo độ nhớt và tạo gel [21].  Tạo độ nhớt Khi kết hợp với nƣớc, keo thực phẩm tạo ra một dung dịch hoặc phân tán có độ nhớt cao. Độ nhớt này phụ thuộc vào nồng độ chất keo trong nƣớc, bản chất hóa học, cấu trúc phân tử.

kết quả là các loại keo thực phẩm khác nhau có thể là có độ nhớt rất khác nhau ở cùng nồng độ. Chính tính chất tạo nhớt này làm chúng đƣợc ứng dụng để tạo nhớt, tạo đặc cho các sản phẩm dạng lỏng; là chất tạo nhũ và làm bền hệ nhũ tƣơng; là chất chống lắng các nguyên liệu dạng hạt rắn lơ lửng trong thực phẩm lỏng; chất giữ ẩm để làm mềm; chất làm ổn định để tạo xốp cho các sản phẩm bánh nƣớng và kiểm soát sự hình thành các tinh thể đá trong các sản phẩm lạnh đông.  Tạo gel Chỉ có một số loại gel thực phẩm có tính chất này. Sự tạo gel là sự tạo thành mạng lƣới liên kết chặt chẽ, có cấu trúc của keo thực phẩm với nhau và với nƣớc, kết quả là đem lại trạng thái rắn (hóa rắn) cho các thực phẩm ban đầu có trạng thái lỏng.

Nồng độ và điều kiện tạo gel của các loại keo thực phẩm cũng rất khác nhau. Tính chất tạo gel này có vô số ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm để sản xuất ra các sản phẩm có cấu trúc gel từ mềm, đàn hồi đến cứng mềm dễ gãy. Ngoài ra, trong những năm gần đây ngƣời ta đã sử dụng một số keo thực phẩm nhƣ một nguồn chất xơ hòa tan. Nhiều bằng chứng khoa học đã chứng tỏ các lợi ích chức năng của một số keo thực phẩm, 11 chẳng hạn nhƣ gum arabic và guar gum.

Khoa học cũng cho thấy khả năng tiềm tàng của chúng trong việc hạ thấp cholesterol và làm giảm nguy cơ ung thƣ. Việc sử dụng các chất keo này trong các chƣơng trình giảm cân cho ngƣời tiêu dùng đã đƣợc thực hiện và chắc chắn chúng sẽ đƣợc sử dụng rộng rãi trong tƣơng lai. TỔNG QUAN VỀ COLLAGEN 1. Giới thiệu chung về collagen Collagen là protein không hòa tan, dạng sợi và tham gia chủ yếu vào thành phần cấu tạo mô liên kết và xƣơng ở động vật có xƣơng sống [3].

Giống nhƣ những protein khác, collagen tồn tại dạng cấu trúc bậc 1, bậc 2, bậc 3 và bậc 4. Collagen chiếm khoảng 25% - 30% tổng lƣợng protein có trong cơ thể ở các động vật có xƣơng sống. Collagen đƣợc phân bố trong các bộ phận nhƣ da, cơ, gân, sụn, răng, hệ thống mạch máu của động vật và có mặt trong các lớp màng liên kết bao quanh các cơ và là thành phần chính của dây chằng và gân [12]. Thành phần và cấu tạo của collagen Đơn vị cơ bản của collagen là tropocollagen, gồm 3 chuỗi α liên kết xoắn ốc với nhau tạo thành những sợi nhỏ.

Mỗi phân tử tropocollagen dài 300nm, dày 1. Các phân tử tropocollagen sẽ liên kết ngang với nhau bằng liên kết cộng hóa trị. Nhờ các liên kết ngang này, các phân tử tropocollagen hình thành nên sợi collagen. Các sợi collagen rất dài và mảnh, chúng sắp xếp tạo ra mạng collgen [3].

Hiện nay có khoảng 27 loại collagen khác nhau đã đƣợc xác định. Loại I đƣợc tìm thấy rộng rãi trong da, xƣơng, gân và dây chằng. Loại II thƣờng ở trong sụn, thủy tinh thể của mắt. Loại III trong thành mạch máu.

Các loại khác có mặt với hàm lƣợng thấp trong một số cơ quan xác định. Cấu tạo phân tử collagen [3] 90% collagen trong cơ thể ngƣời và động vật là collagen loại I, II, III. Collagen loại I phổ biến nhất và đƣợc sử dụng trong sản xuất gelatin. Cấu trúc cơ bản của collagen loại I gồm 1014 amino acid liên kết với nhau hình thành nên chuỗi có khối lƣợng phân tử vào khoảng 100000 g.

Chuỗi này đƣợc gọi là chuỗi α gồm 334 đơn vị lặp lại của chuỗi Gly-X-Y (hình 1. Chỉ tại điểm kết thúc N-, C-, có chuỗi ngắn gồm 15 – 26 amino acid không tuân theo cấu trúc này. Trong đó, Glycine chiếm khoảng 33% các amino acid, proline và hydroxyproline chiếm khoảng 22%. Proline thƣờng xuất hiện ở vị trí X và hydroxyproline hầu nhƣ luôn xuất hiện ở vị trí Y.

Và 45% các amino acid còn lại sẽ kết hợp với các amino acid này tạo nên mạng không gian và tính chất tĩnh điện cho collagen [21]. Trình tự sắp xếp của các amino acid trong chuỗi α của collagen loại I ở bò [24] Proline và hydroxyproline liên quan tới cấu trúc bậc 2 của collagen. Những amino acid này giúp giới hạn sự quay của bộ khung polypeptide, do 13 đó góp phần tạo nên sự bền vững cho cấu trúc xoắn ốc bậc 3. Nhóm hydroxyl của hydroxyproline đóng vai trò quan trọng trong sự bền vững cấu trúc xoắn bậc 3 của collagen.

Polypeptide của collagen mà thiếu hydroxyproline sẽ tạo nên cấu trúc gấp khúc ở nhiệt độ thấp và sẽ không bền vững ở nhiệt độ thân nhiệt [21]. Sự thay đổi cấu trúc từ collagen sang gelatin. Collagen là chất duy nhất có thể chuyển thành gelatin dƣới tác dụng của nƣớc và nhiệt, đó là kết quả của sự mở vòng xoắn 3 sợi kèm theo sự phá vỡ liên kết hydro.3 thể hiện sơ đồ của quá trình chuyển đổi từ collagen sang gelatin. Sự chuyển đổi từ collagen sang gelatin [22] Collagen có thể tác dụng với axit và kiềm.

Mạch của collagen có gốc carboxyl và amin, trong môi trƣờng axit, ion H+ tác dụng với gốc amin tạo NH3+. Trong môi trƣờng kiềm thì gốc amin bị ức chế và hình thành COO- [3].4 thể hiện sự phân bố điện tích trên chuỗi peptit trong phân tử collagen. Sự phân bố điện tích chuỗi peptit trong phân tử collagen [3] Axit và kiềm gây ra một số biến đổi nhƣ sau:  Cắt đứt mạch muối (liên kết giữa –NH3+ và COO-) làm đứt mạch peptit trong mạch chính.  Làm đứt liên kết hydro giữa gốc –CO, NH- của mạch xung quanh nó.

 Làm axit amin bị phân hủy giải phóng amoniac. Trong điều kiện thƣờng, thời gian dài có thể làm cho collagen bị phân giải (mức độ phân giải thấp, khi nhiệt độ tăng thì độ phân giải cũng tăng lên nhanh chóng) [5]. Căn cứ vào giả thuyết của Anne Simon phản ứng chuyển đổi từ collagen sang gelatin tiến hành nhƣ sau: C102H149N31O38 + H2O C102H151N31O39 Collagen Gelatin Tuy nhiên, ở nhiệt độ quá cao còn làm đứt ngẫu nhiên các liên kết trong tropocollagen, dẫn đến gelatin có chất lƣợng kém. C102H151N31O39 + 2H2O C55H85N17O22 + C47H70O19 + 7N2 Gelatin Gelatose Gelatone 15 1.

TỔNG QUAN VỀ GELATIN 1. Giới thiệu gelatin Hiện nay, có nhiều cách khác nhau để định nghĩa gelatin: Theo tƣ̀ điể n về liñ h vƣ̣c của Mỹ (American Pharmacopoeia-USP 29-NF 24, 2006) gelatin là sản phẩm thu đƣợc bởi sự thủy phân một phần collagen có nguồn gốc từ da, mô liên kết hoặc xƣơng của động vật [3]. Theo tƣ̀ điển về dƣợc của Châu Âu (European Pharmacopoeia 5, 2005): gelatin là một loại protein tinh chế, thu đƣợc bởi sự thủy phân một phần collagen bằng phƣơng pháp acid (gelatin loại A), kiềm (gelatin loại B) hoặc enzyme [3]. Theo “Food Chemical Codex 5th, 2003”: gelatin là sản phẩm thu đƣợc bằng phƣơng pháp thủy phân kiềm, acid hoặc enzyme từ collagen-thành phần chính của da, xƣơng và mô liên kết ở động vật [3].

Năm 1973, WHO đã đƣa ra tiêu chuẩn nhận biết và độ tinh sạch của gelatin thực phẩm và xem gelatin nhƣ là một loại thực phẩm. Tƣơng tự EC – European Community cũng đã xếp gelatin vào thực phẩm chứ không phải là phụ gia nên gelatin không có số đăng kí của phụ gia „E‟ [2]. Thành phần hóa học của gelatin Phân tử gelatin bao gồm [3]: 85- 90% protein; 0.5- 2% muối khoáng; 8- 13% nƣớc.