Sản Xuất Gelatin và Ứng Dụng: Tính Chất, Quy Trình và Lĩnh Vực Ứng Dụng

Lịch sử sản xuất gelatin bắt nguồn từ hơn 2000 năm trước, khi con người đã biết sử dụng mô liên kết trong chế biến thực phẩm. Năm 1962, một người Pháp tên là Papin đã tạo ra hỗn hợp giống jelly từ xương. Đến năm 1850, công nghiệp sản xuất gelatin xuất hiện ở Mỹ, sử dụng da chưa thuộc và xương từ heo và bò làm nguyên liệu chính. Châu Âu trở thành khu vực sản xuất gelatin quan trọng nhất thế giới vào những năm 1930. WHO đã công nhận gelatin là một loại thực phẩm vào năm 1973. Sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp này dẫn đến việc thành lập 'Hiệp hội gelatin của Châu Âu' (GME) vào năm 1974.

Gelatin được định nghĩa là một protein tinh sạch dùng trong thực phẩm, thu nhận từ collagen đã bị thoái hóa do nhiệt. Cấu trúc phân tử gelatin bao gồm 18 amino acid khác nhau liên kết với nhau, tạo thành chuỗi polypeptide. Cấu trúc thường gặp là Gly – X – Y (với X chủ yếu là nhóm proline còn Y chủ yếu là nhóm hydroxyproline). Gelatin chứa nhiều nhóm glycine, proline và 4-hydroxyproline. Cứ 3 chuỗi polypeptide xoắn lại theo hình xoắn ốc tạo nên cấu trúc bậc 2. Ở cấu trúc bậc 3, chuỗi xoắn đó tự xoắn quanh nó, tạo nên cấu trúc phân tử dạng dây thừng, gọi là proto fibril.

Tiền xử lý nguyên liệu sản xuất gelatin là bước quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng. Quá trình này bao gồm làm sạch da động vật và xương động vật để loại bỏ các tạp chất như máu, mỡ và lông. Sau đó, nguyên liệu được ngâm trong dung dịch acid hoặc kiềm để phá vỡ các liên kết collagen và tạo điều kiện cho quá trình trích ly. Thời gian và nồng độ của dung dịch ngâm cần được kiểm soát chặt chẽ để tránh làm hỏng collagen. Theo tài liệu, dưới tác dụng của các acid và kiềm đủ mạnh sẽ làm cho collagen bị biến đổi, đây là một biến đổi quan trọng trong quá trình chuyển hóa collagen thành gelatin.

Quá trình trích ly gelatin được thực hiện bằng cách sử dụng nước nóng để hòa tan collagen đã được xử lý. Nhiệt độ và thời gian trích ly ảnh hưởng đến hiệu suất và chất lượng của gelatin. Thông thường, quá trình trích ly được thực hiện ở nhiệt độ từ 50-70°C trong vài giờ. Dung dịch gelatin sau đó được lọc để loại bỏ các chất rắn không hòa tan. Do đó trong quá trình trích ly gelatin cần thiết phải khống chế nhiệt độ và thời gian thích hợp để đảm bảo chất lượng của gelatin thành phẩm.

Sau khi trích ly, dung dịch gelatin cần được tinh chế để loại bỏ các tạp chất còn sót lại. Quá trình này có thể bao gồm lọc, trao đổi ion và khử màu. Dung dịch gelatin sau đó được cô đặc để tăng nồng độ bằng cách sử dụng phương pháp bốc hơi chân không. Cuối cùng, gelatin được sấy khô bằng phương pháp sấy phun hoặc sấy tầng sôi để tạo ra sản phẩm gelatin dạng bột hoặc hạt. Gelatin thành phẩm ở dạng hạt thô có cấu trúc gel chặt chẽ.

Khả năng tạo gel là một trong những tính chất gelatin quan trọng nhất. Khi dung dịch gelatin nguội, các phân tử gelatin sẽ liên kết với nhau tạo thành mạng lưới ba chiều, giữ nước và tạo thành gel. Nồng độ gelatin, nhiệt độ, pH và sự hiện diện của các ion có thể ảnh hưởng đến khả năng tạo gel. Gelatin là chất rắn dạng miếng, vảy, bột hoặc hạt, không mùi, không vị, trong suốt, có màu từ trắng đến vàng nhạt, chứa 9 -12% ẩm và có tỉ trọng riêng từ 1,3-1,4.

Độ nhớt gelatin và độ đông gelatin là những tiêu chí quan trọng để đánh giá chất lượng. Độ nhớt thể hiện khả năng chống lại sự chảy của dung dịch gelatin, trong khi độ bền gel thể hiện khả năng chịu lực của gel. Các yếu tố như khối lượng phân tử, nồng độ và nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến độ nhớt và độ bền gel. Việc xác định những phân đoạn này sẽ giúp hiểu rõ hơn về độ bền của gel, độ nhớt cũng như việc đảm bảo chất lượng gelatin được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau.

Gelatin được phân loại thành hai loại chính: gelatin type A và gelatin type B. Gelatin loại A thu được khi xử lý nguyên liệu bằng acid, trong khi gelatin loại B thu được khi xử lý bằng kiềm. Sự khác biệt trong quy trình sản xuất dẫn đến sự khác biệt về tính chất, chẳng hạn như điểm đẳng điện và khả năng tạo gel. Gelatin loại A thu được khi quá trình xử lý nguyên liệu dùng acid. Gelatin sản xuất bằng phương pháp này sẽ có các phân đoạn phân tử có khối lượng thấp hơn gelatin loại B do đó sẽ có độ nhớt thấp hơn và độ bền gel thấp hơn khi ở cùng một điều kiện tạo gel.

Trong ngành gelatin thực phẩm, gelatin được sử dụng rộng rãi để tạo cấu trúc và ổn định sản phẩm. Nó là thành phần quan trọng trong sản xuất kẹo dẻo, thạch rau câu, kem, sữa chua và các sản phẩm tráng miệng khác. Gelatin giúp tạo độ đàn hồi, độ dẻo và độ mịn cho sản phẩm. Gelatin loại này thường được dùng để làm chất ổn định trong một số thực phẩm như bánh gatô, các món tráng miệng.

Trong ngành gelatin dược phẩm, gelatin được sử dụng để sản xuất viên nang cứng và viên nang mềm. Gelatin tạo thành lớp vỏ bảo vệ cho thuốc, giúp dễ dàng nuốt và kiểm soát quá trình giải phóng thuốc. Ngoài ra, gelatin còn được sử dụng làm tá dược trong nhiều loại thuốc khác nhau. Gelatin loại này thường được sản xuất bằng cách sử dụng enzym thực hiện quá trình thủy phân, sau đó tiệt trùng, cô đặc và cuối cùng là sấy phun.

Trong ngành gelatin mỹ phẩm, gelatin được sử dụng làm chất tạo màng, chất làm đặc và chất giữ ẩm trong các sản phẩm chăm sóc da và tóc. Gelatin giúp tạo lớp màng bảo vệ trên da, giữ ẩm và làm mềm da. Nó cũng được sử dụng trong các sản phẩm tạo kiểu tóc để tăng độ bóng và độ giữ nếp. Gelatin được ester hoá bởi các acid béo, điều này giúp cải thiện khả năng tạo nhũ của gelatin đồng thời làm tăng khả năng ứng dụng của các acid béo mà bản thân một mình acid béo đó không thể bổ sung trực tiếp vào thực phẩm do không tan được trong nước, dễ bị oxy hóa…

Gelatin da cá đang trở thành một giải pháp thay thế tiềm năng cho gelatin từ động vật có vú. Da cá là một nguồn collagen dồi dào và có thể được sử dụng để sản xuất gelatin với quy trình tương tự. Tuy nhiên, tính chất gelatin từ da cá có thể khác biệt so với gelatin từ động vật có vú, do đó cần có những điều chỉnh trong quy trình sản xuất. So với gelatin từ động vật có vú thì gelatin từ cá có chất lượng thấp hơn do cấu tạo da cá có chứa ít imino acid đặc biệt là hydroxyproline và proline hơn da và xương của động vật có vú.

Nhu cầu về gelatin halal và gelatin kosher đang tăng lên trên toàn thế giới, do sự gia tăng của cộng đồng người Hồi giáo và người Do Thái. Gelatin halal được sản xuất từ động vật được giết mổ theo nghi thức Hồi giáo, trong khi gelatin kosher được sản xuất theo các quy tắc của đạo Do Thái. Các nhà sản xuất gelatin đang nỗ lực để đáp ứng nhu cầu này bằng cách sử dụng các nguồn nguyên liệu và quy trình sản xuất phù hợp. Gelatin sản xuất từ da heo không được chấp nhận ở các nước Hồi giáo, trong khi đó các nước Ấn Độ giáo thì gelatin sản xuất từ bò chỉ được chấp nhận khi đã được làm theo những đòi hỏi của tôn giáo này.

Các tiêu chuẩn gelatin quan trọng bao gồm độ nhớt, độ bền gel, thành phần acid amin, hàm lượng tro, hàm lượng kim loại nặng và số lượng vi sinh vật. Các tiêu chuẩn này được quy định bởi các tổ chức quốc tế và quốc gia, như WHO, USP và các cơ quan quản lý thực phẩm và dược phẩm. Việc tuân thủ các tiêu chuẩn này giúp đảm bảo chất lượng và an toàn của gelatin trong các ứng dụng khác nhau.

Các phương pháp kiểm tra chất lượng gelatin phổ biến bao gồm phương pháp Bloom để xác định độ bền gel, phương pháp Ostwald để xác định độ nhớt, phương pháp Kjeldahl để xác định hàm lượng protein và các phương pháp sắc ký để xác định thành phần acid amin. Ngoài ra, các phương pháp kiểm tra vi sinh vật và kim loại nặng cũng được sử dụng để đảm bảo an toàn của sản phẩm.