CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. COLLAGEN Collagen là một loại protein trong cơ thể người, có chức năng chính là kết nối các mô trong cơ thể lại với nhau. Đối với da, collagen chiếm khoảng 70% cấu trúc da và được phân bố chủ yếu ở lớp hạ bì của da. Nó đóng vai trò kết nối tế bào, kích thích quá trình trao đổi chất, tạo sự đàn hồi cho da.
Sự suy giảm về số lượng và chất lượng collagen sẽ dẫn đến hậu quả lão hóa của cơ thể mà sự thay đổi trên làn da, khuôn mặt là dấu hiệu dễ nhận biết nhất: làn da bị khô, nhăn nheo bắt đầu từ các đường nhăn mảnh trên khóe mắt, khóe miệng, lâu dần thành nếp nhăn sâu, các đường nét khuôn mặt bị chùng nhão, chảy xệ. Chính vì vậy mà collagen là một trong những chất quan trọng hàng đầu của ngành mỹ phẩm, chăm sóc da, phẫu thuật thẩm mỹ… Collagen là một protein có cấu trúc bậc 4 điển hình, do các đơn vị tropocollagen cấu trúc bậc 3 tổ hợp theo các hướng dọc ngang làm collagen có nhiều mức cấu trúc. Trong cấu trúc phân tử collagen, do tương tác giữa các mạch polypeptid làm cho phân tử có những vùng kỵ nước và vùng phân cực mang điện tích sẽ tạo nên khả năng háo nước làm trương nở collagen. Cơ chế hấp thu collagen hydrolysate trong quá trình tiêu hóa Collagen hydrolysate là collagen bị thủy phân từ xương, gân hoặc da của các loại động vật hữu nhũ cũng như các loại thủy hải sản.
Collagen hydrolysate là một hợp chất polypeptide được ứng dụng trong mỹ phẩm, dược phẩm, thực phẩm chức năng và phụ gia thực phẩm. Các protein nguyên thủy thường có cấu trúc không gian ba chiều, sẽ ảnh hưởng đến tính chất chức năng. Collagen hydrolysate là các peptide nhỏ, cấu trúc phân tử ngẫu nhiên hơn và ít xuất hiện cấu trúc bậc ba. Đối với cấu trúc bậc hai của protein, xoắn α và xếp gấp β là quan trọng nhất.
Các peptide nói chung không có độ dài thích hợp và các cầu nối hydro để ổn định cấu trúc xoắn. Trong quá trình thủy phân protein, vùng kỵ nước thường được giấu vào bên trong, cấu trúc xoắn sẽ lộ ra bên ngoài dẫn Trang 1 đến kết quả là tính chất của protein thủy phân rất khác so với nguyên thủy. Do đó collagen sau khi thủy phân sẽ thay đổi các tính chất chức năng. Trong quá trình tiêu hóa, chuỗi amino acid của CH bị phá vỡ trong quá trình tiêu hóa bởi enzyme và acid.
Từng amino acid được hấp thu qua thành ruột non và đi vào máu đến gan. Từ đây, chúng được chuyển đến các vị trí cần thiết cho hầu hết sự tăng trưởng hoặc sửa chữa mô. Hơn 90% CH tiêu thụ qua đường miệng được hấp thu nhanh chóng bởi đường ruột và xuất hiện trong huyết tương, có tính khả dụng sinh học cao. CH không bị phá vỡ hoàn toàn trong hệ tiêu hóa, nhưng một số phân đoạn peptide có phân tử lượng từ 1 ÷ 10 kDa được hấp thu sau khi uống CH.
Các nghiên cứu bổ sung cho thấy rằng một lượng lớn collagen peptide được phát hiện trong da và mô sụn sau khi uống CH, cho thấy sự tích tụ của các peptide này trong mô liên kết. Collagen trong cơ thể có cấu trúc xoắn 3 nhưng khi bị biến tính giống gelatin. Thủy phân collagen biến tính bằng enzyme tiêu hóa tạo ra collagen peptide, gồm sự lặp đi lặp lại chuỗi -Gly-X-Y-Gly-X-Y- và được sử dụng trong thực phẩm chức năng. Hoạt tính sinh học Protein thực phẩm là nguồn peptide có hoạt tính sinh học, nhưng ở dạng protein gốc không thể hiện hoạt tính sinh học.
Trong quá trình tiêu hóa ở dạ dày, chế biến hoặc lên men thực phẩm, chúng được phân giải thành các peptide có hoạt tính sinh học Trang 2 và ảnh hưởng đến nhiều chức năng sinh lý của cơ thể. Nguyên liệu collagen từ ngành công nghiệp chế biến gia cầm và phụ phẩm thủy hải sản là nguồn sản phẩm thủy phân và peptide có giá trị với các hoạt tính sinh học. Những nguyên liệu để thu nhận collagen này bao gồm da, vây, xương, và vảy. Ngoài ra, các peptide có hoạt tính sinh học quan trọng từ collagen và gelatin còn được tách chiết từ các nguồn khác như sứa, ếch hoặc hải sâm.
Hầu hết các nghiên cứu về các peptide có nguồn gốc từ collagen và gelatin peptide trong lĩnh vực khoa học và công nghệ thực phẩm liên quan đến hoạt tính chống oxy hóa và ức chế chống cao huyết áp/ACE. Các peptide này lặp đi lặp lại trình tự chuỗi Gly-Pro-Hyp, và tính chống oxy hóa, chống cao huyết áp liên quan đến thành phần acid amin này (Kim & Mendis, 2006). Hơn nữa, các peptide có nguồn gốc từ collagen và gelatin còn thể hiện nhiều hoạt tính sinh học khác như: hoạt tính kháng khuẩn, khả năng chelat với khoáng, tác dụng hạ lipid máu, hoạt tính điều hòa miễn dịch và tác dụng có lợi cho da, xương hoặc đau khớp. Các hoạt tính sinh học chính của collagen hydrolysate gồm: Tính chất kháng khuẩn Gómez-Guillén và cộng sự (2010) đã chứng minh hoạt tính kháng khuẩn trong các phân đoạn peptide từ gelatin da cá ngừ và mực ống trong phạm vi 1-10 kDa và <1 kDa.
Sản phẩm thủy phân được kiểm tra bằng cách sử dụng thử nghiệm khuếch tán agar chống lại 18 chủng vi khuẩn (cả vi khuẩn gram dương và gram âm). Việc giảm phân tử lượng của các phân đoạn peptide làm cho các acid amin tiếp xúc và tích điện tốt hơn với màng tế bào vi khuẩn. Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính kháng khuẩn của các phân đoạn peptide như thành phần acid amin, trình tự acid amin, phân tử lượng và loại vi khuẩn đã được thực bởi Di Bernardini, (2011). Theo Wieprecht và cộng sự (1997), tính chất kỵ nước của acid amin làm cho các peptide dễ di chuyển vào màng tế bào vi khuẩn, khi các peptide tích điện dương bắt đầu tương tác với bề mặt vi khuẩn tích điện âm.
Patrzykat và Douglas, (2005) chứng minh mức độ liên kết lipopolysaccharide vừa không trực tiếp vừa không tỷ lệ nghịch với hoạt tính peptide bởi vì sau khi phá vỡ màng ngoài, Trang 3 hoạt tính peptide phụ thuộc vào khả năng tương tác với màng tế bào chất vi khuẩn. Do đó, cả trình tự, nồng độ peptide và thành phần màng tế bào vi khuẩn sẽ ảnh hưởng đến sự tương tác. Thực chất, collagen cũng được xem như một vật liệu sinh học có tính chất diệt khuẩn và diệt nấm khi ứng dụng như một lớp che phủ cho vật liệu làm từ gỗ (Jus, Kokol, & Guebitz, 2009). Hoạt tính chống oxy hóa Collagen được biết là giàu các acid amin kỵ nước.
Do đó, collagen thủy phân được mong đợi cung cấp các peptide chống oxy hóa tự nhiên và phát huy hoạt tính chống oxy hóa cao hơn. Tác dụng chống oxy hóa của peptide lần đầu tiên được báo cáo bởi Marcuse, (1960). Nhiều nghiên cứu khảo sát tính chất chống oxy hóa của sản phẩm thủy phân và peptide từ cả nguồn thực vật và động vật như cám gạo, protein hướng dương, protein lá cỏ đinh lăng, casein, protein lòng đỏ trứng, protein cơ cá thu, gelatin da mực ống, gelatin da cá, eslatin da bò, xương cá ngừ … Có rất nhiều phụ phẩm từ công nghiệp chế biến thủy sản tạo ra hàng năm, người ta quan tâm nhiều đến việc sản xuất sản phẩm thủy phân và peptide chống oxy hóa từ gelatin da của các loài cá khác nhau chẳng hạn như cá tuyết Alaska, cá tuyết hoki (Johnius belengerri), cá móp (Rachycentron canadum) và cá bơn (Giménez và cộng sự, 2009) cũng như từ bạch tuộc (Dosidicus gigas), mực ống Jumbo (Dosidicus eschrichitii Streenstrup) hoặc mực ống (Todarodes pacificus). Một số chuỗi peptide chống oxy hóa phân tách từ gelatin da cá và các nguồn collagen khác được thể hiện trong bảng 1.
Các peptide chống oxy hóa có nguồn gốc từ collagen Enzyme sử Tài liệu Nguồn Peptide Hoạt tính dụng tham khảo Gelatin Gly-Glu-Hyp-Gly-Pro- Alcalase, Ức chế sự Kim, Kim, da cá Hyp-Gly-Pro-Hyp-Gly- Pronase E, peroxide hóa lipid Byun, (Alaska Pro-Hyp-Gly-Pro-Hyp- collagenase Tăng khả năng Park và Pollack) Gly sống sót của tế bào cộng sự Gly-Pro-Hyp-Gly-Pro- tiếp xúc với t-BHP (2001) Hyp-Gly-Pro-Hyp-Gly- Pro-Hyp-Gly Gelatin Phe-Asp-Ser-Gly-Pro- Trypsin Bẫy gốc tự do Mendis, da mực Ala-Gly-Val-Leu Tăng khả năng Rajapakse, (Dosidic Asn-Gly-Pro-Leu-Gln- sống sót của tế bào Byun và us gigas) Ala-Gly-Gln-Pro-Gly- tiếp xúc với t-BHP cộng sự Glu-Arg (2005) Gelatin Gly-Pro-Leu-Gly-Leu- Alcalase Bẫy gốc tự do Alemán, da mực Leu-Gly-Phe-Leu-Gly- Ferric reducing Giménez, (Dosidic Pro-Leu-Gly-Leu-Ser power Pérez- us gigas) Santín và cộng sự (2011) Gelatin His-Gly-Pro-Leu-Gly- Trypsin Bẫy gốc tự do Mendis, da cá Pro-Leu Ức chế sự Rajapakse, (Jonius peroxide hóa lipid và Kim belenger (2005) Hoạt tính chống ii) Trang 5 oxy hóa Collagen Gln-Gly-Ala-Arg Hỗn hợp Bẩy gốc tự do Li và cộng da heo protease sự (2007) (bovine pancreas, Streptomyces và Bacillus spp) Gelatin Gly-Pro-Hyp-Gly-Pro- Pronase E Ức chế sự Kim, Byun, da bò Hyp-Gly-Pro- peroxide hóa lipid Park và Hyp-Gly Tăng khả năng cộng sự sống sót của tế bào (2001) tiếp xúc với t-BHP Xương Val-Lys-Ala-Gly-Phe- Pepsin Bẫy gốc tự do Je và cộng cá ngừ Ala-Trp-Thr- Ức chế sự sự (2007) Ala-Asn-Gln-Gln-Leu- peroxide hóa lipid Ser Cơ chế chính xác về hoạt tính chống oxi hóa của peptide chưa được hiểu rõ ràng nhưng nhiều nghiên cứu khác nhau chứng minh rằng chúng là chất ức chế sự peroxide chất béo, gốc tự do và chelat với ion kim loại. Kim và cộng sự, (2001) báo cáo rằng peptide phân tách từ gelatin da cá tuyết Alaska có thể bảo vệ các tế bào gan ở chuột khỏi sự tổn thương do chất oxy hóa tạo ra bởi hydroperoxide t-BHP. Kết quả từ một nghiên cứu khác cho thấy peptide phân tách từ gelatin da cá hoki có khả năng làm tăng hoạt tính xúc tác của các enzyme chống oxi hóa như glutathione peroxidase, catalase và superoxide dismutase trong các tế bào ung thư gan ở người (Mendis, Rajapakse & Kim, 2005). Trang 6 Hoạt tính chống oxy hóa của collagen và gelatin peptide liên quan đến hàm lượng acid amin kỵ nước, chúng dễ tan trong chất béo và do đó tăng cường hoạt tính chống oxy hóa (Kim và cộng sự, 2001).
Rajapakse và cộng sự, (2005) nhận thấy rằng gelatin peptide từ da cá có hoạt tính chống oxy hóa cao hơn peptide từ protein thịt, có thể do tỷ lệ phần trăm Gly và Pro cao hơn. Không chỉ sự có mặt của các acid amin thiết yếu, mà vị trí chính xác trong chuỗi peptide cũng đóng một vai trò quan trọng trong hoạt tính chống oxi hóa. Hơn nữa, hoạt tính chống oxy hóa liên quan chặt chẽ đến phân tử lượng các peptide (Gómez-Guillén và cộng sự, 2010).