Luận văn thạc sĩ công nghệ thực phẩm nghiên cứu thủy phân collagen từ da cá tra bằng enzyme neutrase kết hợp với enzyme flavourzyme

Nghiên cứu thủy phân collagen từ da cá tra bằng enzyme neutrase và flavourzyme, ứng dụng hiệu quả trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm.

• Tác giả: Lê Thị Thanh Vân
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phan Đình Tuấn
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thực Phẩm và Đồ Uống
• Đề tài: Nghiên cứu thủy phân collagen từ da cá tra bằng enzyme neutrase kết hợp với enzyme flavourzyme
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến collagen
• 1.2. Tính chất chức năng
• 1.3. Cơ chế hấp thu collagen hydrolysate trong quá trình tiêu hóa
• 1.4. Cơ chế thủy phân collagen
• 1.5. Hoạt tính sinh học
• 1.6. Nhu cầu và khả năng ứng dụng của fish collagen hydrolysate
• 1.7. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỦY PHÂN PROTEIN
• 1.7.1. Phương pháp hóa học
• 1.7.2. Phương pháp sinh học
• 1.8. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân
• 1.9. ENZYME SỬ DỤNG ĐỂ THỦY PHÂN PROTEIN
• 1.10. CÁC NGHIÊN CỨU THỦY PHÂN COLLAGEN TỪ THỦY HẢI SẢN ĐÃ CÔNG BỐ
• 1.10.1. Các công trình nghiên cứu thủy phân collagen từ thủy hải sản trên thế giới và nước ta hiện nay
• 1.10.2. Vấn đề tồn tại và hướng tập trung giải quyết
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. NGUYÊN VẬT LIỆU
• 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.2.1. Mục đích nghiên cứu
• 2.2.2. Chuẩn bị nguyên liệu
• 2.2.3. Thủy phân collagen
• 2.2.4. Phương pháp phân tích
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. THÀNH PHẦN NGUYÊN LIỆU COLLAGEN
• 3.2. KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH HOẠT TÍNH ENZYME
• 3.2.1. Kết quả dựng đường chuẩn tyrosine
• 3.2.2. Kết quả xác định hoạt tính enzyme Neutrase và enzyme Flavourzyme
• 3.3. KẾT QUẢ THỦY PHÂN COLLAGEN
• 3.3.1. Kết quả thủy phân collagen bởi enzyme Neutrase
• 3.3.2. Kết quả thủy phân collagen bởi enzyme Flavourzyme
• 3.3.3. Kết quả thủy phân collagen kết hợp enzyme Neutrase với enzyme Flavourzyme
• 3.4. SO SÁNH HIỆU QUẢ CÁC QUY TRÌNH THỦY PHÂN COLLAGEN
• 3.4.1. Mức độ thủy phân
• 3.4.2. Phân tử lượng
• 3.5. XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ TẠO SẢN PHẨM
• 3.5.1. Quy trình công nghệ
• 3.5.2. Thuyết minh quy trình
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Thủy phân collagen từ da cá tra

Nghiên cứu tập trung vào thủy phân collagen từ da cá tra bằng enzyme Neutrase và Flavourzyme. Mục tiêu là tạo ra collagen hydrolysate có phân tử lượng thấp, phù hợp cho ứng dụng trong thực phẩm và mỹ phẩm. Da cá tra được chọn làm nguyên liệu do hàm lượng collagen cao (73% chất khô). Quá trình thủy phân được thực hiện với các điều kiện tối ưu để đạt hiệu quả cao nhất.

1.1. Quy trình thủy phân

Quá trình thủy phân bắt đầu bằng việc trích ly collagen từ da cá tra bằng acid acetic 0,75M. Dịch chiết được kết tủa bằng NaCl 0,9M và thẩm tích bằng màng cellophane. Collagen thô thu được có phân tử lượng từ 115 ÷ 240 kDa. Tiếp theo, thủy phân được thực hiện với enzyme Neutrase và Flavourzyme để tạo ra collagen hydrolysate có phân tử lượng thấp hơn.

1.2. Điều kiện tối ưu

Điều kiện tối ưu cho thủy phân bằng enzyme Neutrase bao gồm nồng độ cơ chất 200 g/L, nồng độ enzyme 39,45 UI/g protein, nhiệt độ 50°C, pH 7,0 và thời gian 3h. Với enzyme Flavourzyme, điều kiện tối ưu là nồng độ enzyme 46,8 UI/g protein, pH 6,5 và thời gian 2h. Kết hợp cả hai enzyme cho kết quả collagen hydrolysate có phân tử lượng từ 6 ÷ 8,5 kDa.

II. Ứng dụng của collagen thủy phân

Collagen thủy phân từ da cá tra có nhiều ứng dụng trong thực phẩm và mỹ phẩm. Sản phẩm có khả năng hòa tan tốt trong nước, phù hợp cho các sản phẩm bổ sung dinh dưỡng. Ngoài ra, collagen hydrolysate còn có hoạt tính sinh học như chống oxy hóa và ức chế cao huyết áp, làm tăng giá trị ứng dụng.

2.1. Trong thực phẩm

Collagen hydrolysate được sử dụng trong thực phẩm chức năng nhờ khả năng hấp thu nhanh và hiệu quả. Sản phẩm có phân tử lượng thấp (dưới 10 kDa) đảm bảo tính an toàn và cảm quan tốt. Đây là giải pháp tận dụng phụ phẩm từ ngành chế biến cá tra, mang lại giá trị kinh tế cao.

2.2. Trong mỹ phẩm

Trong mỹ phẩm, collagen thủy phân giúp duy trì độ đàn hồi và ẩm cho da. Sản phẩm từ da cá tra được ưa chuộng do tính tương thích sinh học cao và hiệu quả trong việc làm chậm quá trình lão hóa da.

III. Công nghệ thủy phân bằng enzyme

Công nghệ thủy phân bằng enzyme là phương pháp hiệu quả để sản xuất collagen hydrolysate. Enzyme Neutrase và Flavourzyme được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm nhờ khả năng thủy phân protein mạnh mẽ. Nghiên cứu này đã chứng minh hiệu quả của việc kết hợp hai enzyme trong quá trình thủy phân collagen.

3.1. Ưu điểm của enzyme

Enzyme Neutrase và Flavourzyme có khả năng thủy phân protein ở nhiệt độ và pH thích hợp, giảm thiểu sự biến tính của collagen. Sự kết hợp hai enzyme giúp tăng hiệu suất thủy phân và tạo ra sản phẩm có phân tử lượng thấp hơn.

3.2. So sánh hiệu quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy thủy phân bằng enzyme Neutrase đạt mức độ thủy phân 11,02%, trong khi enzyme Flavourzyme đạt 19,12%. Kết hợp cả hai enzyme cho kết quả tốt nhất, với collagen hydrolysate có khả năng hòa tan cao và phân tử lượng thấp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là một trong những quốc gia phát triển mạnh về ngành thủy sản, đặc biệt là cá tra với giá trị xuất khẩu đạt khoảng 1,4 tỷ USD năm 2010 và khối lượng xuất khẩu trên 600 nghìn tấn. Quá trình chế biến cá tra tạo ra lượng phụ phẩm lớn, trong đó có khoảng 85.000 tấn da cá bị thải ra hàng năm. Da cá tra chứa hàm lượng collagen cao, chiếm tới 73% chất khô, là nguồn nguyên liệu tiềm năng để thu nhận collagen hydrolysate có giá trị kinh tế và ứng dụng rộng rãi trong thực phẩm, mỹ phẩm và dược phẩm.

Luận văn tập trung nghiên cứu quy trình thủy phân collagen từ da cá tra bằng enzyme Neutrase kết hợp với enzyme Flavourzyme nhằm tạo ra collagen hydrolysate có phân tử lượng thấp, khả năng hòa tan cao và giảm vị đắng, đáp ứng yêu cầu ứng dụng trong thực phẩm chức năng và mỹ phẩm. Mục tiêu cụ thể là khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân collagen với từng enzyme và sự kết hợp của chúng, xác định phân tử lượng sản phẩm thủy phân, đồng thời đánh giá khả năng hòa tan của collagen hydrolysate thu được.

Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2012 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao giá trị sử dụng phụ phẩm da cá tra, đồng thời phát triển sản phẩm collagen hydrolysate có tính năng sinh học và ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghệ thực phẩm và đồ uống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Cấu trúc và tính chất collagen: Collagen là protein cấu trúc chính trong mô liên kết, có cấu trúc xoắn ba đặc trưng, không tan trong nước lạnh nhưng có khả năng trương nở và hòa tan trong acid acetic. Collagen có tính lưỡng tính, chịu ảnh hưởng bởi pH, nhiệt độ và các ion trong môi trường.

• Cơ chế thủy phân collagen: Thủy phân collagen bằng enzyme protease (collagenase) diễn ra qua quá trình tháo xoắn cấu trúc xoắn ba và cắt liên kết peptide tại vị trí đặc hiệu. Enzyme Neutrase và Flavourzyme thuộc nhóm metallo proteinase và aminopeptidase, có hoạt tính thủy phân khác nhau, ảnh hưởng đến phân tử lượng và tính chất sản phẩm.

• Hoạt tính sinh học của collagen hydrolysate: Collagen hydrolysate chứa các peptide có hoạt tính chống oxy hóa, kháng khuẩn, ức chế cao huyết áp, hỗ trợ sức khỏe xương khớp và làm đẹp da. Phân tử lượng peptide và thành phần acid amin quyết định tính năng sinh học và khả năng hấp thu của sản phẩm.

• Mô hình thủy phân enzyme: Nghiên cứu áp dụng mô hình thủy phân enzyme với các yếu tố ảnh hưởng như nồng độ cơ chất, nồng độ enzyme, pH, nhiệt độ và thời gian thủy phân để tối ưu hóa mức độ thủy phân (Degree of Hydrolysis - DH) và phân tử lượng sản phẩm.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu collagen được trích ly từ da cá tra thu mua tại tỉnh An Giang, Việt Nam. Enzyme Neutrase 0,8L và Flavourzyme 500L được sử dụng với hoạt tính công bố lần lượt là 0,8 AU/g và 500 LAPU/g.

• Chuẩn bị nguyên liệu: Da cá được rửa sạch, loại bỏ tạp chất, bảo quản ở -20°C. Collagen thô được chiết xuất bằng dung dịch acid acetic 0,75M trong 24 giờ ở 4°C, kết tủa bằng NaCl 0,9M, thẩm tích qua màng cellophane trong acid acetic 0,1M.

• Thủy phân collagen: Thủy phân riêng biệt với enzyme Neutrase và Flavourzyme, cũng như kết hợp hai enzyme theo điều kiện tối ưu đã xác định. Các yếu tố được khảo sát gồm nồng độ cơ chất, nồng độ enzyme, pH, nhiệt độ và thời gian thủy phân.

• Phân tích: Mức độ thủy phân (DH) được xác định bằng phương pháp chuẩn tyrosine. Phân tử lượng sản phẩm thủy phân được đánh giá bằng điện di SDS-PAGE. Khả năng hòa tan collagen hydrolysate được đo lường bằng phương pháp chuẩn.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được tiến hành từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2012, bao gồm giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu, khảo sát điều kiện thủy phân, phân tích sản phẩm và tổng hợp kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Điều kiện tối ưu thủy phân collagen với enzyme Neutrase:

   • Nồng độ cơ chất: 200 g/L
   • Nồng độ enzyme: 39,45 UI/g protein
   • Nhiệt độ: 50°C
   • pH: 7,0
   • Thời gian: 3 giờ
   • Mức độ thủy phân đạt 11,02%
   • Phân tử lượng sản phẩm thủy phân dao động từ 19 đến 31 kDa.

2. Điều kiện tối ưu thủy phân collagen với enzyme Flavourzyme:

   • Nồng độ enzyme: 46,8 UI/g protein
   • pH: 6,5
   • Thời gian: 2 giờ
   • Mức độ thủy phân đạt 19,12%
   • Phân tử lượng sản phẩm thủy phân từ 17 đến 34 kDa.

3. Thủy phân kết hợp enzyme Neutrase và Flavourzyme:

   • Thực hiện theo điều kiện tối ưu của từng enzyme.
   • Collagen hydrolysate thu được có phân tử lượng thấp hơn, trong khoảng 6 đến 8,5 kDa.
   • Khả năng hòa tan trong nước của sản phẩm tăng đáng kể so với collagen ban đầu.

4. So sánh hiệu quả các phương pháp thủy phân:

   • Mức độ thủy phân và phân tử lượng sản phẩm thủy phân của phương pháp kết hợp enzyme cao hơn so với thủy phân đơn lẻ.
   • Sản phẩm thủy phân kết hợp có khả năng giảm vị đắng và cải thiện tính cảm quan.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy enzyme Neutrase và Flavourzyme có tính đặc hiệu cơ chất khác nhau, ảnh hưởng đến mức độ thủy phân và phân tử lượng sản phẩm. Neutrase chủ yếu cắt các liên kết peptide lớn, tạo ra sản phẩm có phân tử lượng trung bình, trong khi Flavourzyme với hoạt tính aminopeptidase giúp thủy phân sâu hơn, tạo ra các peptide nhỏ hơn và giảm vị đắng.

Sự kết hợp hai enzyme tận dụng ưu điểm của từng loại, tạo ra collagen hydrolysate có phân tử lượng thấp (6-8,5 kDa), phù hợp với yêu cầu ứng dụng trong thực phẩm và mỹ phẩm. Khả năng hòa tan cao của sản phẩm giúp tăng tính khả dụng sinh học và hấp thu trong cơ thể.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng enzyme Alcalase hoặc Protamex, sản phẩm thủy phân trong nghiên cứu này có phân tử lượng phù hợp và mức độ thủy phân tối ưu hơn, đồng thời giảm thiểu vị đắng nhờ sự phối hợp enzyme. Biểu đồ phân bố phân tử lượng và đồ thị mức độ thủy phân theo thời gian minh họa rõ sự khác biệt giữa các phương pháp thủy phân.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng quy trình thủy phân kết hợp enzyme Neutrase và Flavourzyme trong sản xuất collagen hydrolysate:

   • Mục tiêu: Tạo sản phẩm collagen hydrolysate có phân tử lượng thấp, khả năng hòa tan cao, giảm vị đắng.
   • Thời gian thực hiện: 6-12 tháng để triển khai quy trình công nghiệp.
   • Chủ thể thực hiện: Các doanh nghiệp chế biến thủy sản và công ty công nghệ thực phẩm.

2. Nghiên cứu mở rộng về hoạt tính sinh học của collagen hydrolysate:

   • Mục tiêu: Đánh giá hoạt tính chống oxy hóa, kháng khuẩn và ức chế cao huyết áp của sản phẩm.
   • Thời gian: 12 tháng.
   • Chủ thể: Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành công nghệ thực phẩm.

3. Phát triển sản phẩm thực phẩm chức năng và mỹ phẩm từ collagen hydrolysate:

   • Mục tiêu: Tạo ra các sản phẩm bổ sung dinh dưỡng, chăm sóc da và hỗ trợ sức khỏe xương khớp.
   • Thời gian: 18-24 tháng.
   • Chủ thể: Công ty dược phẩm, mỹ phẩm và thực phẩm chức năng.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ:

   • Mục tiêu: Nâng cao năng lực kỹ thuật cho các nhà sản xuất collagen hydrolysate trong nước.
   • Thời gian: 6 tháng.
   • Chủ thể: Trường đại học, viện nghiên cứu phối hợp với doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ thực phẩm:

   • Lợi ích: Hiểu rõ quy trình thủy phân collagen, các yếu tố ảnh hưởng và ứng dụng enzyme trong sản xuất collagen hydrolysate.
   • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu liên quan đến protein thủy phân và peptide sinh học.

2. Doanh nghiệp chế biến thủy sản và sản xuất thực phẩm chức năng:

   • Lợi ích: Áp dụng quy trình thủy phân collagen từ phụ phẩm da cá tra để nâng cao giá trị sản phẩm và đa dạng hóa sản phẩm.
   • Use case: Sản xuất collagen hydrolysate làm nguyên liệu cho thực phẩm bổ sung và mỹ phẩm.

3. Chuyên gia phát triển sản phẩm mỹ phẩm và dược phẩm:

   • Lợi ích: Nắm bắt đặc tính sinh học và công nghệ sản xuất collagen hydrolysate phù hợp với yêu cầu thị trường.
   • Use case: Thiết kế sản phẩm chăm sóc da, chống lão hóa dựa trên collagen peptide.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách ngành thủy sản và công nghệ thực phẩm:

   • Lợi ích: Đánh giá tiềm năng phát triển sản phẩm từ phụ phẩm thủy sản, thúc đẩy phát triển bền vững ngành.
   • Use case: Xây dựng chính sách hỗ trợ nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mới trong ngành.

Câu hỏi thường gặp

1. Collagen hydrolysate là gì và tại sao cần thủy phân collagen?
   Collagen hydrolysate là sản phẩm collagen đã được thủy phân thành các peptide nhỏ hơn, giúp tăng khả năng hòa tan và hấp thu. Thủy phân collagen giúp giảm phân tử lượng, cải thiện tính cảm quan và tăng hoạt tính sinh học, phù hợp cho ứng dụng trong thực phẩm và mỹ phẩm.

2. Tại sao chọn enzyme Neutrase và Flavourzyme để thủy phân collagen?
   Neutrase là metallo proteinase có khả năng thủy phân liên kết peptide hiệu quả, còn Flavourzyme là hỗn hợp endo- và exopeptidase giúp giảm vị đắng và tạo sản phẩm có phân tử lượng thấp. Sự kết hợp hai enzyme tận dụng ưu điểm của từng loại, tạo ra collagen hydrolysate chất lượng cao.

3. Phân tử lượng collagen hydrolysate ảnh hưởng thế nào đến ứng dụng sản phẩm?
   Phân tử lượng thấp (dưới 10 kDa) giúp collagen hydrolysate dễ hòa tan, hấp thu nhanh và có hoạt tính sinh học cao hơn. Sản phẩm có phân tử lượng phù hợp sẽ được ứng dụng hiệu quả trong thực phẩm chức năng, mỹ phẩm và dược phẩm.

4. Quy trình chiết xuất collagen từ da cá tra có phức tạp không?
   Quy trình chiết xuất collagen bao gồm ngâm acid acetic, kết tủa bằng muối NaCl, thẩm tích qua màng cellophane và bảo quản lạnh. Đây là quy trình chuẩn, không quá phức tạp nhưng cần kiểm soát nhiệt độ và thời gian để đảm bảo chất lượng collagen thô.

5. Collagen hydrolysate có thể ứng dụng trong những sản phẩm nào?
   Collagen hydrolysate được sử dụng trong thực phẩm bổ sung dinh dưỡng, đồ uống thể thao, mỹ phẩm chăm sóc da, sản phẩm hỗ trợ sức khỏe xương khớp và thực phẩm chức năng chống lão hóa. Sản phẩm có khả năng cải thiện độ ẩm, đàn hồi da và hỗ trợ tái tạo mô liên kết.

Kết luận

• Đã xác định được điều kiện tối ưu thủy phân collagen từ da cá tra bằng enzyme Neutrase và Flavourzyme, đạt mức độ thủy phân lần lượt 11,02% và 19,12%.
• Sản phẩm collagen hydrolysate kết hợp hai enzyme có phân tử lượng thấp (6-8,5 kDa) và khả năng hòa tan trong nước cao hơn nhiều so với collagen ban đầu.
• Quy trình thủy phân enzyme giúp giảm vị đắng, cải thiện tính cảm quan và tăng giá trị ứng dụng của collagen hydrolysate trong thực phẩm và mỹ phẩm.
• Nghiên cứu góp phần nâng cao giá trị sử dụng phụ phẩm da cá tra, thúc đẩy phát triển ngành công nghiệp collagen trong nước.
• Đề xuất triển khai ứng dụng quy trình công nghiệp, nghiên cứu mở rộng hoạt tính sinh học và phát triển sản phẩm thực phẩm chức năng, mỹ phẩm từ collagen hydrolysate.

Các doanh nghiệp và viện nghiên cứu nên phối hợp để chuyển giao công nghệ, phát triển sản phẩm và mở rộng nghiên cứu ứng dụng collagen hydrolysate trong các lĩnh vực sức khỏe và làm đẹp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. DA CÁ Theo năm 2010, xuất khẩu cá tra ở nước ta đạt 1,4 tỷ USD với khối lượng các mặt hàng xuất khẩu đạt trên 600. Lượng phụ phẩm trong quá trình chế biến cá rất lớn với định mức 2,6 kg nguyên liệu cho ra 1 kg thành phẩm. Tính ra lượng phụ phẩm (như: đầu, xương, da…) trong năm 2010 là 960.000 tấn cá tra phi lê thì sẽ có khoảng 85.000 tấn da cá được thải ra [72].

Theo các tác giả trước, hàm lượng collagen trong da cá tra là 73% chất khô [1]. Vậy, da cá tra là một nguồn nguyên liệu tốt để thu nhận collagen. Tính chất hóa lý [22, 43] Collagen là một loại protein cấu trúc chính vì vậy chúng cũng có đầy đủ các tính chất lý hóa của một protein như sự biến tính, tính kỵ nước, khả năng kết tủa thuận nghịch, không thuận nghịch, tính hydrat hóa, tính chất của dung dịch keo. Ngoài ra, nó còn có một số tính chất khác đặc trưng cho collagen như:  Khả năng trương nở: Collagen không hòa tan trong nước mà nó hút nước để nở ra, cứ 100g collagen khô có thể hút được khoảng 200g nước, trong đó khoảng 70g là nước liên kết và 20g là liên kết vững chắc.

Collagen kết hợp với nước nở ra, độ dày tăng lên chừng 25% nhưng độ dài tăng lên không đáng kể, tổng thể tích của phân tử collagen tăng lên 2 ÷ 3 lần. Do nước phân cực nên sẽ tác dụng lên liên kết hydro trong collagen, làm giảm tính vững chắc của sợi collagen từ 3 ÷ 4 lần. Khi nhiệt độ tăng cao, mạch polypeptide sẽ bị yếu đi và bắt đầu đứt thành những mạch nhỏ hơn. Nếu nhiệt độ HVTH: LÊ THỊ THANH VÂN CBHD: PGS.

PHAN ĐÌNH TUẤN MSHV: 10110207 TS. PHAN NGỌC HOÀ 4 tăng đến 60 ÷ 650C, collagen sẽ bị phân giải. Đây là những đặc điểm cần lưu ý trong quá trình xử lý thu nhận collagen. Sự gia tăng độ trương nở dưới tác động của acid là kết quả của sự giảm nồng độ ion H+ tác động đến các anion acid, và tác động của bazơ gây ra bởi nồng độ nhóm OH- giảm ảnh hưởng đến các cation bazơ.

 Khả năng tạo nhũ tương: Là một protein không tan, collagen có thể có ít dấu hiệu cho thấy là một chất nhũ hóa. Tuy nhiên, collagen có nguồn gốc từ da sống được xử lý và biến tính ở mức độ khác nhau nên có thể là một chất nhũ hóa tốt hơn sữa gầy.  Khả năng hòa tan: Collagen tan trong glycerin, acid acetic, ure nhưng không tan trong nước lạnh. Collagen được phân chia thành bốn lớp trên cơ sở tính hòa tan trong các dung dịch đệm khác nhau: tan trong muối trung tính, tan trong acid, tan trong kiềm, và không tan trong kiềm.

Phân tử collagen chứa cả nhóm amin và carboxyl nên collagen có tính chất lưỡng tính, có thể tác dụng với acid lẫn kiềm. Trong môi trường acid và kiềm, collagen có khả năng hút nước cao hơn trong nước nguyên chất do tác dụng của nước với các nhóm mang điện. Dưới tác dụng của các acid và kiềm đủ mạnh collagen sẽ bị biến đổi, đây là một biến đổi quan trọng trong quá trình thu nhận sản phẩm collagen. Acid và kiềm sẽ cắt đứt các liên kết –NH3+.COO- làm đứt mạch peptide, phá vỡ các liên kết hydro, phân hủy acid amin, giải phóng amoniac.

Tác dụng thủy phân của acid và kiềm tăng khi nhiệt độ môi trường tăng. Do đó, trong quá trình thu nhận collagen cần phải khống chế nhiệt độ và thời gian thích hợp để đảm bảo chất lượng của thành phẩm. HVTH: LÊ THỊ THANH VÂN CBHD: PGS. PHAN ĐÌNH TUẤN MSHV: 10110207 TS.

PHAN NGỌC HOÀ 5 Các thành phần tan trong acid thường bao gồm hai nhóm: một là nhóm β2 hoặc β11 gồm hai chuỗi α1, và hai là nhóm β1 hoặc β12 gồm một chuỗi α1 và một chuỗi α2 liên kết bởi liên kết cộng hóa trị kiểu este. Collgagen hòa tan trong muối bao gồm 90% các chuỗi α và 10% các chuỗi dạng β, trong khi collagen hòa tan trong acid là khoảng 10% chuỗi α và 90% ở dạng β. Chỉ có 50% nhóm ion của collagen hoà tan trong acid có trong collagen hòa tan trong muối. Các nhóm còn lại có thể tham gia vào mối liên kết chéo.

Các yếu tố ảnh hưởng đến collagen [32, 43, 48, 66]  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.  Ảnh hưởng của acid và kiềm Ảnh hưởng của acid: Acid acetic có thể làm collagen trương nở 50% và tăng khả năng peptid hóa collagen hơn HCl ở pH 2,0. Điều đó chứng tỏ rằng acid yếu (ví dụ như acid acetic) cho phép phóng thích các proton từ nhóm cacboxyl của collagen.

Sự ảnh hưởng của HCl tới collagen: một số cation H+ kết hợp với anion – COO-. Quá trình này tiếp tục cho đến khi tất cả nhóm –COO- đã được phóng điện và tất cả nhóm cation đều ở dạng tự do. Vì vậy, pha nước bên trong cấu trúc collagen sẽ chứa nhiều Cl- hơn H+. Sự phân phối ion khác nhau giữa hai pha tạo ra sự khác nhau về áp suất thẩm thấu và khả năng tích điện.

Để tạo trạng thái cân bằng nồng độ ion giữa hai pha, nước đi vào các phân tử collagen và gây ra sự trương nở. Ảnh hưởng của kiềm: Trong môi trường bazơ mạnh (như NaOH) khả năng trương nở của collagen gia tăng, đặc biệt là các hydroxyde của ion kim loại hóa trị hai ở pH > 10, ở pH này HVTH: LÊ THỊ THANH VÂN CBHD: PGS. PHAN ĐÌNH TUẤN MSHV: 10110207 TS. PHAN NGỌC HOÀ 6 có sự chuyển hóa không thuận nghịch thành các ion.

Sự phân hủy nhóm hydroxy của các acid amin (serin và threonine) và sự thủy phân của liên kết keto - imide giữa proline và hydroxyproline xảy ra trong suốt quá trình xử lý collagen bằng kiềm ở pH 12 ÷ 14. Acid và kiềm đều có thể phân hủy collagen. Collagen phân giải biến thành gelatine, căn cứ vào giả thuyết của Hofmeister phản ứng sẽ tiến hành như sau: Nếu xử lý ở nhiệt độ cao trong nước, gelatine sẽ dễ dàng thủy phân tiếp thành: Từ đó thấy rằng trong quá trình trích ly collagen cần thiết phải khống chế nhiệt độ và thời gian thích hợp để đảm bảo chất lượng của collagen.  Ảnh hưởng của nhiệt độ: • Ở nhiệt độ thấp: Ảnh hưởng của nhiệt độ thấp đối với collagen tương tự như khả năng trương nở của collagen trong nước.

• Ở nhiệt độ cao: Nhiệt độ là nguyên nhân làm cho một số protein trong collagen bị biến tính. Khi nhiệt độ tăng lên cao, tính hoạt động của mạch polypeptide tăng mạnh, làm cho mạch bị yếu và bắt đầu đứt thành những mạch polypeptide tương đối nhỏ. Trong khoảng nhiệt độ 60 ÷ 65oC, collagen hút nước bị phân giải và nếu tiếp tục đun collagen sẽ bị thủy phân thành gelatin. Độ bền nhiệt được xem là tỷ lệ thuận với HVTH: LÊ THỊ THANH VÂN CBHD: PGS.

PHAN ĐÌNH TUẤN MSHV: 10110207 TS. PHAN NGỌC HOÀ 7 tổng lượng proline và hydroxyproline, collagen càng bền nhiệt khi lượng proline và hydroxyproline càng nhiều.  Các chất khác: Collagen trong dung dịch muối trung tính cùng với gốc –COOH và –NH2 tạo thành các hợp chất muối. Tác dụng phân giải collagen của NaCl so với Na2SO4 mạnh hơn (độ điện ly của NaCl lớn hơn).

Muối trung tính ở nồng độ vừa phải (1M) ngăn cản sự trương nở, ở nồng độ cao sẽ hiệu quả hơn. Các anion nhìn chung làm gia tăng độ trương nở hiệu quả hơn các cation. Dịch collagen khi thêm cồn, aceton hoặc heparin thì sợi collagen dày lên và kết tủa lại. Collagen bị thuỷ phân chậm bởi trypsin và pepsin, trong khi đó gelatin dễ bị phân huỷ hơn.

Nhiều nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng tác dụng của trypsin đối với collagen đã xử lý (như đun nóng, ngâm acid, kiềm, muối, tác dụng của pepsin, tác dụng cơ học…) thì nó có tác dụng phân giải, với điều kiện thích hợp nhất là nhiệt độ 37oC, pH = 8,1 ÷ 8,2. Tính chất chức năng [21, 71] Ngoài tính chất hydrat hóa cơ bản, như khả năng trương nở và khả năng hòa tan, tính chất quan trọng nhất của collagen/gelatin có thể được chia thành 2 nhóm: tính chất gel (sự tạo gel, tạo kết cấu, làm dầy và khả năng liên kết với nước) và tính chất bề mặt (tính nhũ hóa, tính tạo bọt và bền bọt, tính kết dính, tính keo và khả năng tạo màng).  Tính chất tạo gel và liên kết với nước Sự tạo gel, độ nhớt và kết cấu là các tính chất được xác định chủ yếu dựa vào cấu trúc, phân tử lượng và nhiệt độ của hệ. Trong quá trình tạo gel hóa collagen, quá trình tập hợp phân tử collagen và tạo sợi diễn ra do sự thay đổi lực ion, pH và nhiệt độ, chủ yếu là phân tử collagen có HVTH: LÊ THỊ THANH VÂN CBHD: PGS.

PHAN ĐÌNH TUẤN MSHV: 10110207 TS. PHAN NGỌC HOÀ 8 cấu trúc bậc 2 và bậc 3. Sau đó, sự tập hợp bắt đầu với các tiểu đơn vị cho đến khi đạt cân bằng. Quá trình tự sắp xếp collagen loại I của động vật có xương sống xảy ra khi nhiệt độ gel hóa tăng từ 20 đến 280C.

Cơ chế tạo gel liên quan đến sự thay đổi cấu trúc xoắn ốc khi dung dịch collagen bị làm lạnh dưới 300C. Quá trình gel hóa của collagen là quá trình thuận nghịch nhiệt.  Tính chất bề mặt Tính chất bề mặt của collagen/gelatin dựa vào sự có mặt của các nhóm tích điện trong chuỗi protein và trong collagen vừa có acid amin ưa nước và kỵ nước. Cả phần ưa nước và kỵ nước có xu hướng di chuyển về phía bề mặt, do đó làm giảm sức căng bề mặt dung dịch, tạo thành màng tích điện bao xung quanh pha phân tán và được tăng cường bổ sung bởi sự tạo gel.

Gelatin và collagen hòa tan có tính chất tạo bọt, thậm chí không tạo gel, bởi vì chúng làm giảm sức căng bề mặt ở bề mặt lỏng/khí bằng cách tăng độ nhớt của pha nhiều nước. Tính chất tạo bọt phụ thuộc đáng kể vào đặc tính của nguyên liệu. Khi phân tử protein chứa vùng kỵ nước bị lộ ra ngoài, sẽ xảy ra sự hấp phụ ở bề mặt không khí-nước và thuận lợi cho quá trình tạo bọt, bền bọt.  Tính chất tạo màng Gelatin được nghiên cứu rộng rãi về khả năng tạo màng và được sử dụng như một màng bao bên ngoài để bảo vệ thực phẩm không bị khô khi tiếp xúc với ánh sáng và oxy.