Luận văn công nghệ thực phẩm Nghiên cứu phương pháp xử lí da cá thu nhận collagen

Luận văn tốt nghiệp
Lời mở đầu
Ngày nay đời sống ngày càng nâng cao, nhu cầu làm đẹp càng trở nên phổ biến hơn.
Con người theo năm tháng phải già đi, làn da dễ bị lão hóa , vì thế để giữ được vẻ đẹp, sự
căng mịn của làn da người ta sử dụng một loại protein có tính năng đàn hồi, giúp duy trì
làn da trẻ mãi theo năm tháng, protein có tính năng kì diệu đó chính là collagen.
Hiện nay collagen trở thành một protein được nghiên cứu phổ biến để bổ sung vào
các thành phần kem dưỡng da, hay để chữa trị các vết bỏng… Collagen được chiết xuất từ
nhiều nguồn động thực vật khác nhau và theo những nghiên cứu mới nhất thì collagen
được chiết xuất từ da cá là tương thích với da người hơn. Không giống với những loại
collagen thu được từ những phương pháp trước đây, collagen từ cá được hấp thụ hoàn
toàn trên da người. Cá sống trong phạm vi rộng lớn với các điều kiện về nhiệt độ, độ sâu
và áp suất khác nhau. Điều này có nghĩa là collagen trích từ da cá có một sức chống chịu
đặc biệt với các phá hủy lý và hóa học.
Ở Việt Nam chúng ta nổi bật là nghề nuôi trồng, khai thác và chế biến các loài cá da
trơn ở các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long với hai đối tượng thủy sản nước ngọt chính
yếu là cá tra và cá basa. Tổng sản lượng cá da trơn ở khu vực này trong năm 2004 đạt
khoảng 200.000 tấn và theo dự kiến của Bộ thủy sản từ năm 2005 đến 2010 sẽ nâng tổng
sản lượng lên 500.000 tấn/năm. Với sản lượng khai thác và chế biến lớn như vậy, có thể
thấy lượng phế phụ liệu (chiếm khoảng 50 - 60% nguyên liệu) thải ra trong quá trình chế
biến là rất lớn. Vì vậy đã có nhiều nghiên cứu cho việc tận thu nguồn phế liệu cá da trơn,
và đặc biệt ở đây ta chú ý tới nguồn phế liệu da cá trơn để nghiên cứu trong công nghệ
sản xuất collagen bởi vì da cá có chứa khá cao hàm lượng collagen. Vấn đề đặt ra ở đây là
da cá có lẫn khá nhiều tạp chất, đặc biệt là màu và mùi là những thành phần rất khó loại
bỏ, là một trong những vấn đề khó khăn để chiết và thu collagen tinh khiết. Vì thế để có
thể thu được collagen tinh khiết, để đỡ tốn công trong quá trình chiết cũng như tinh sạch
collagen về sau ta tiến hành nghiên cứu phương pháp rửa loại những phần phi collagen ra
khỏi da cá.
Do đó, ”Nghiên cứu phương pháp xử lí da cá thu nhận collagen” là đề tài nhằm
giải quyết một vấn đề làm tiền đề cho quá trình chiết và tinh sạch collagen về sau.
Mặc dù chúng tôi đã tập trung nghiên cứu nhưng do thời gian và năng lực có hạn,

những kết quả đạt được mới chỉ là những khảo sát ban đầu.
Chúng tôi mong nhận được ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn.
i
Luận văn tốt nghiệp
MỤC LỤC
Chương 1 - TỔNG QUAN 1
1.1 CẤU TẠO CỦA DA CÁ 1
1.1.1 Giải phẫu và chức phận của da cá: 2
1.1.2 Thành phần hóa học của da: 3
Các loại protein tạp 3
Các thành phần khác 5
1.2 KHÁI QUÁT VỀ COLLAGEN [2] 5
1.2.1 Cấu tạo của collagen 8
1.2.2 Phân loại collagen 17
1.2.3 Ứng dụng của collagen 20
1.3 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ DA CÁ ĐỂ THU NHẬN COLLAGEN 26
1.3.1 Một số phương pháp phân loại những phần phi collagen 26
1.3.2 Những nghiên cứu về collagen ở Việt Nam và trên thế giới 30
1.3.3 So sánh collagen từ cá và collagen từ các loại gia súc 31
Chương 2 - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33
2.1 MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI: 33
2.2 NGUYÊN LIỆU - HÓA CHẤT – DỤNG CỤ: 33
2.2.1 Nguồn nguyên liệu 33
2.2.2 Hóa chất: 33
2.2.3 Dụng cụ - thiết bị 34
2.3 PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 34
2.3.1 Phương pháp thí nghiệm: 34
ii
Luận văn tốt nghiệp
2.3.2 Phương pháp phân tích 35

2.3.3 Quy trình nghiên cứu: 47
2.3.4 Đánh giá nguyên liệu 49
2.3.5 Các thông số khảo sát trong quá trình thí nghiệm 49
Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 51
3.1 ĐÁNH GIÁ NGUỒN NGUYÊN LIỆU 51
3.1.1 Khảo sát các thành phần của da cá tra 51
3.1.2 Nhận xét trên nguồn nguyên liệu 51
3.2 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH LOẠI LIPID 52
3.2.1 Nồng độ LASNa và NaOH 52
3.2.2 Nồng độ NaCl 54
3.2.3 Đánh giá quy trình loại béo 56
3.3 KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH TẨY MÀU 58
3.3.1 Nồng độ NaOH và thời gian tẩy màu 58
3.3.2 Nồng độ H2O2 và thời gian tẩy màu 61
3.3.3 Tỉ lệ da/dung dịch 63
3.3.4 Đánh giá quá trình tẩy màu: 65
3.4 HÀM LƯỢNG COLLAGEN TRONG DA CÁ 66
3.5 Nhận xét trên quy trình thí nghiệm 68
3.5 Đánh giá da cá đã xử lí: 70
Chương 4 - KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 71
4.1 KẾT LUẬN 71
4.2 KIẾN NGHỊ 71
DANH MỤC BẢNG
iii
Luận văn tốt nghiệp
Bảng 1.1 – Sự phân bố các amino acid trong chuỗi polypeptide 8
Bảng 1.2 – Kết cấu chuỗi và sự phân bố của các loại collagen trong cơ thể người [1] 19
Bảng 3.3 – Thành phần da cá tra nguyên liệu 51
Bảng 3.4 – Các phương pháp xử lý da cá 56
Bảng 3.5 – Hàm lượng (%) lipid & tro của da 56

Bảng 3.6 – Đường chuẩn của độ hấp thu theo nồng độ của hydroxyproline 66
Bảng 3.7 – Hàm lượng (%) collagen trong da cá (Phụ lục) 67
Bảng 3.8 – So sánh kết quả xử lý của 2 phương pháp 68
Bảng 3.9 – Thành phần da sau xử lý 70
iv
Luận văn tốt nghiệp
DANH MỤC HÌNH
Chương 1 -TỔNG QUAN 1
Hình 1.1- Hình dạng cá tra (Pangasius hypophthalmus) 1
Hình 1.2 – Cấu tạo da cá 2
Hình 1.3 – Vị trí của collagen trong da 6
Hình 1.4 – Các liên kết sợi ở collagen 7
Hình 1.5 – Cấu trúc của phân tử collagen (triple helix) 9
Hình 1.6 – Cấu trúc của procollagen và sự chuyển từ procollagen sang tropocollagen 10
Hình 1.7 – Sự hình thành các liên kết ngang 10
Hình 1.8 – Cấu trúc bậc 2 của collagen 11
Hình 1.9 – Cấu trúc bậc 3 của collagen 12
Hình 1.10 – Cấu trúc bậc 4 của collagen 12
Hình 1.11 – Cấu trúc sợi của collagen 13
Hình 1.12 – Quá trình tổ hợp tạo sợi của các phân tử collagen 14
Hình 1.13 – Sự sắp xếp của phân tử collagen trong một sợi 15
Hình 1.14 – Hình ảnh của bó sợi (a) và sợi (b) collagen 16
Hình 1.15 – Một vài dạng sinh học của collagen 18
Hình 1.16 – Keo dán collagen 20
Hình 1.17 – Collagen áp dụng trong việc điều trị vết bỏng 22
Hình 1.18 – Bột collagen sản xuất từ da và vảy cá 25
Hình 1.19 – Collagen dạng gel 26
Hình 1.20 – Quy trình xử lý da của Gudmundsson và Hafsteinsson 28
v
Luận văn tốt nghiệp

Hình 1.21 – Đồ thị so sánh khả năng hấp thụ vào máu của collagen trích ly từ cá và tự lợn
32
Hình 2.22 – Máy xác định ẩm bằn tia hồng ngoại 36
Hình 2.23 – Không gian màu CIELAB 42
Hình 2.24 – Không gian màu CIELCH 44
Hình 2.25 – Quy trình nghiên cứu xử lý da cá tra bằng muối 48
Hình 3.26 – Biểu đồ biểu thị ảnh hưởng của nồng độ LASNa va NôH lên quá trình loại
lipid từ da cá 53
Hình 3.27 – Biểu đồ biểu thị ảnh hưởng của nồng độ NaCl lên quá trình loại lipid từ da cá
55
Hình 3.28 – Đồ thị biểu thị ảnh hưởng của nồng độ NaOH và thời gian lên quá trình tẩy
màu 60
Hình 3.29 – Đồ thị biểu thị ảnh hưởng của nồng độ H2O2 và thời gian lên quá trình tẩy
màu 63
Hình 3.30 – Đồ thị biểu thị ảnh hưởng của tỉ lệ da/dung dịch lên quá trình tẩy màu 65
Hình 3.31 – Đồ thị biểu diễn đường chuẩn của độ hấp thụ theo nồng độ hydroxyproline 67
Hình 3.32 – Quy trình sản xuất collagen từ da cá 69
vi
Luận văn tốt nghiệp
DANH MỤC MỘT SỐ THUẬT NGỮ VÀ
CHỮ VIẾT TẮT
vii
Chương 1 – Tổng quan
Chương 1 - TỔNG QUAN
1.1 CẤU TẠO CỦA DA CÁ
Họ cá tra (Pangasiidae) bao gồm một số loài cá có kích thước lớn, phân bố khá rộng từ
Tây Nam Á đến Đông Nam Á. Họ cá tra hiện nay có 2 giống: Pangasiidae (gồm 15 loài)
và Helicophagus (có 2 loài được phát hiện).
Tên tiếng Anh của cá tra: Shutchi catfish
Tên khoa học của cá tra: Pangasius hypothalamus (Sauvage, 1878).

Cá tra được xếp vào nhóm cá da trơn và được phân loại theo hệ thống như sau : giống
Pangasiidae, họ Pangasius, bộ Siluriformes, lớp Actinopterygii, ngành Chordata, giới
Animalia.
Hình 1.1- Hình dạng cá tra (Pangasius hypophthalmus)
Theo Tyson Roborts và Chavalit Vidthayamon (1991) có khoảng 20 loài trong giống cá
tra được tìm thấy ở Châu Á., riêng ở Việt Nam có 9 loài thuộc giống này (Mai Đinh Yến,
1992)
Ở nước ta hiện nay, cá Tra đang được coi là loại cá nuôi có năng suất cao nhất trong nghề
nuôi trồng thủy sản, năng suất trung bình khoảng 30 – 45 tấn/ha.
Với một năng suất lớn như vậy nhưng tỉ lệ thịt fillet của cá Tra thịt fillet là 39,3% thì
lượng phụ phẩm là cực kỳ lớn. Để giải quyết vấn đề này, người ta sử dụng da cá để sản
xuất collagen, gelatine và nguyên liệu dùng để sản xuất collagen và gelatine từ da cá
chiếm khoảng 5 – 6%.
1
Chương 1 – Tổng quan
1.1.1 Giải phẫu và chức phận của da cá:
Da là một màng mô dai mềm dẻo che phủ toàn bộ cơ thể, là cơ quan có diện tích
rộng nhất của cơ thể. Da có tổ chức cấu tạo khá phức tạp, gồm 3 lớp: lớp biểu bì, tuyến
dịch và lớp bì kết hợp chặt chẽ với nhau.
Hình 1.2 – Cấu tạo da cá
 Lớp biểu bì (Epidermis)
Lớp biểu bì là lớp ngoài cùng của da, là một lớp mỏng được làm từ những tế bào sống.
Epidermis là một lớp da ngoài trên bề mặt, hình thành nên một màng nhầy không bào.
- Chức năng của lớp biểu bì:
Lớp biểu bì có chức năng bảo vệ cơ thể chống những ảnh hưởng có hại của môi trường
bên ngoài, chống lại sự xâm nhập của vi khuẩn đồng thời tạo thành một hàng rào sinh học
cách điện và nhiệt, giữ nước cho cơ thể. Nếu mất lớp biểu bì sự mất nước qua da sẽ tăng
nhiều lần hơn so với bình thường.
 Tuyến dịch (Epidermal Glands):
Tuyến dịch bao gồm dịch nhày và những tế bào hình hạt

- Dịch nhầy: Cấu tạo từ nước nhày glycoprotein và những dạng khác nhau bao gồm
cả dịch gelatine.
2
Chương 1 – Tổng quan
- Tế bào hạt: lớp này chứa nhiều mạch máu, cơ và tế bào, đa phần khó loại bỏ được.
Hình thành bởi những hợp chất hữu cơ dạng alkaloid (chất độc) và những nguyên
tố hóa học khác.
 Lớp bì (Dermis):
Đây là phần da có thành phần chính là collagen quy định đặc điểm cấu trúc của da.
Những sợi collagen phân bố trong những sợi bundles. Tất cả nằm trong mạng lưới nội
bào. Những sợi bundles đan dệt với nhau làm cho da có khả năng co dãn hai chiều.
Hạ bì là một lớp mô liên kết-mỡ, dạng sợi đặc điểm:
- Lớp collagen nghiêng đều 45
0
C so với trục cơ thể.
- Sắp thành từng lớp, hình thành nên dạng xoắn ốc như gỗ dán, gia tăng độ bền.
- Chống lại lực mà lớp da biến dạng gây ra và có tác dụng như một đầu máy kéo
 Các bộ phận khác:
• Placoid (Dermal Denticles):
- Giảm trọng lượng cơ thể, gia tăng sự mềm dẻo, cải thiện tính linh hoạt cho cơ thể.
- Một số cấu tạo có thể làm giảm đến mức tối thiểu những ảnh hưởng do các dao
động trong nước tác động đến cơ thể.
• Rhomboid (Ganoid/Cosmoid):
- Ngoài chức năng bảo vệ cơ thể, rhomboid còn giữ vai trò duy trì mức độ giới hạn
giữa tính mềm dẻo và cứng nhắc của cơ thể.
• Elasmoid (Cycloid & ctenoid):
- Điều tiết tỉ lệ cũng như khoảng cách gối lên nhau của các lớp vảy để đảm bảo tính
linh hoạt cho cơ thể cá.
- Những tế bào này có trọng lượng rất nhẹ, giúp giảm trọng lượng cho cơ thể cá.
- Chúng cũng có chức năng bảo vệ.

1.1.2 Thành phần hóa học của da:
 Các loại protein tạp
Da cá có thành phần chủ yếu là collagen, ngoài ra còn có các chất tạp như albumin,
globulin, chất béo và chất khoáng…. Tính chất và hàm lượng của chúng có ảnh hưởng rất
lớn đến qui trình sản xuất và phẩm chất của gelatin.
 Albumin
3
Chương 1 – Tổng quan
Hòa tan trong nước, trong dung dịch muối loãng, acid loãng và kiềm loãng, kết tủa
trong dung dịch (NH
4
)
2
SO
4
bảo hòa, khi đun nóng dễ đông vón lại. Trong khâu ngâm
nước nguyên liệu, đại bộ phận có thể khử đi.
 Globulin
Không tan trong nước mà tan trong dung dịch muối trung tính (8% - 18% NaCl) tan
trong dung dịch acid loãng và kiềm loãng. Lúc đun nóng dễ đông đặc hơn albumin.
 Mucin và mucoid
Là một trong những thành phần cấu tạo thành niêm dịch. Chúng đều hòa tan trong
dung dịch kiềm loãng. Giữa hai chất này rất khó phân biệt, nói chung trong dung dịch
loãng, khi cho acid vào thì mucin kết tủa tách ra, còn mucoid không kết tủa. Trong nước
chúng đều nở ra và hòa tan trong dung dịch muối loãng, nhưng không tan trong muối bão
hòa.
 Keratin
Là thành phần cấu tạo chất sừng, trong lớp sừng của động vật chủ yếu là thành phần
này. Thành phần hóa học của keratin không giống nhau.
Trong mạch phân tử của keratin ngoài liên kết muối và liên kết hydrogen ra còn có

liên kết disulfit. Vì sự kết hợp giữa mạch và mạch tương đối vững chắc khiến cho keratin
đối với các nhân tố đều tương đối ổn định.
Đối với acid nó tương đối ổn định là vì liên kết disulfit của nó không bị acid thủy
phân. Keratin có thể bị phá hủy trong môi trường kiềm tại liên kết disulfit của nó.
 Elastin
Trong tổ chức mô liên kết của nguyên liệu da còn có elastin, nhưng cho tới nay việc
nghiên cứu elastin còn rất ít. Những tính chất đã được xác định là elastin tương đối ổn
4
Chương 1 – Tổng quan
định trong môi trường acid, kiềm, không tan trong nước. Trong quá trình trích ly gelatin,
nó có ảnh hưởng nhất định, nhưng có lợi cho quá trình.
 Các thành phần khác
 Chất béo
Sự tồn tại của chất béo ảnh hưởng xấu đến chất lượng của gelatin. Do đó trong quá
trình chế biến gelatin phải tìm cách khử nó đi bằng cách rửa sạch nhiều lần với nước ấm
và nước lạnh hoặc ngâm vôi (môi trường kiềm).
 Khoáng
Chủ yếu là phosphate calci (Ca
3
(PO
4
)
2
) và carbonat canci (CaCO
3
). Sự tồn tại của
chúng làm cho chất lượng của gelatin giảm xuống. Do đó trước lúc trích ly phải khử bằng
cách ngâm acid (chủ yếu là HCl) để nó phân giải và khử đi.
 Sắc tố
Các sắc tố (đen, đỏ, nâu…) ít tan trong nước và acid loãng mà có thể tan trong dung

dịch kiềm loãng (như dung dịch KOH, NaOH…).
1.2 KHÁI QUÁT VỀ COLLAGEN [2]
Là một loại protein chiếm tới 25% tổng lượng protein trong cơ thể người, collagen
có chức năng chính là kết nối các mô trong cơ thể lại với nhau. Nó giống như một chất
“keo” dính các bộ phận trong cơ thể người lại thành một khối hoàn chỉnh, nếu không có
chúng cơ thể người sẽ chỉ là các phần rời rạc. Chỉ riêng điều này cũng đã chỉ ra tầm quan
trọng của collagen đối với sự sống của con người.
5
Chương 1 – Tổng quan
Hình 1.3 – Vị trí của collagen trong da
Riêng với làn da, ngoài nhiệm vụ liên kết collagen còn có nhiệm vụ tạo sự đàn hồi.
Đây chính là lý do tại sao collagen ở da có định dạng khác so với collagen ở các bộ phận
khác. Các liên kết sợi collagen ở da lỏng hơn nhằm làm tăng sự đàn hồi và tính linh hoạt
của collagen, tuy nhiên cũng vì vậy mà chúng dễ bị tổn thương hay đứt gẫy do tác động
bên ngoài.
Collagen của da khoẻ mạnh và liên kết tốt sẽ giúp da có sự đàn hồi như không bị rạn
khi mang thai, không bị da thừa khi giảm cân, không bị nếp nhăn khi chuyển động cơ lặp
đi lặp lại, không bị chùng nhão da mặt và không bị sẹo sau tổn thương. Chính vì vậy,
collagen đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong sức khoẻ cũng như sắc đẹp của con người.
6
Chương 1 – Tổng quan
Hình 1.4 – Các liên kết sợi ở collagen
Collagen chiếm khoảng 20-30% tổng số protein động vật tham gia vào thành phần
mô liên kết xốp và đặc, mô xương, mô da, mô sụn tạo cấu trúc cơ thể hoàn chỉnh. Ở da
collagen chiếm 15-25% (theo mô ẩm) và 81% (theo mô khô).
Collagen là protein dạng sợi, đàn hồi được do đó bảo vệ cơ chống lại sự kéo căng.
Khác với các protein khác, trong collagen không có chứa tryptophan, cystine, cystein, còn
tyrosin, histidin và các acid amin chứa lưu huỳnh mỗi loại hiện diện không quá 1%, điều
này làm vắng mặt các cầu nối disulfua (-S-S) trong cấu trúc collagen là nguyên nhân cho
tính “mềm dẻo” hơn của nó so với keratin. Nhưng ngược lại, collagen chứa đến 30%

glycerin, 10% hydroxyprolin, 12% prolin, 11% alanin. Như vậy theo thành phần collagen
không phải là protein hoàn thiện. Thành phần của acid amin có thể thay đổi theo tuổi con
vật. Tuy nhiên có thể đưa ra công thức trung bình của collagen là C
102
H
149
O
39
N
31

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 và 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.
7
Chương 1 – Tổng quan
1.2.1 Cấu tạo của collagen
Collagen là một loại protein tương đối đơn giản gồm có ba chuỗi amino acid riêng
biệt xoắn lại với nhau giống như một sợi dây thừng. Mỗi sợi collagen gồm có hàng nghìn
cấu trúc amino acid, chủ yếu gồm có glycine và proline, hydroxyproline.
Collagen không có chứa tryptophan, giàu thành phần glycine, proline và
hydroxyproline, là một trong số ít những protein có chứa hydroxylysine. Nó chứa khoảng
33% glycine, 12% proline và 11% hydroxyproline. Các amino acid sắp xếp trong chuỗi
xoắn ốc theo các dãy với sự phân bố như sau:
Bảng 1.1 – Sự phân bố các amino acid trong chuỗi polypeptide
Triplet Tỉ lệ
Gly – X – X
Gly – X – I

Gly – I – X
Gly – I – I
0,44
0,2
0,27
0,09
Trong đó, I là imino acid (proline và hydroxyproline), X là các amino acid khác.
Glycine chiếm gần 1/3 trong tổng số các amino acid và nó được phân bố một cách đều
đặn tại vị trí mỗi 1/3 xuyên suốt trong phân tử collagen. Do glycine có các nhánh phụ nhỏ
nhất nên sự lặp lại của nó cho phép các chuỗi polypeptide kết hợp chặt chẽ với nhau hình
thành nên một đường xoắn ốc với khoảng trống nhỏ ở phần lõi.
8
Chương 1 – Tổng quan
1.2.1.1 Đặc điểm cấu trúc phân tử của collagen [1]
Hình 1.5 – Cấu trúc của phân tử collagen (triple helix)
Phân tử collagen hay còn gọi là tropocollagen là những phần tử nhỏ, chúng sẽ tập
hợp thành những phần tử lớn hơn là các sợi, rồi sau đó hình thành các bó collagen. Mỗi
phân tử collagen dài khoảng 300 nm, đường kính 1,5 nm, được tạo thành bởi 3 chuỗi
polypeptide (alpha peptide) và do đó collagen có cấu trúc bậc 4. Mỗi chuỗi có hình dạng
đường xoắn ốc theo hướng từ phải sang trái. Ba chuỗi này xoắn lại với nhau hình thành
một cuộn có hướng từ trái sang phải, gọi là triple helix hay super helix.
Chuỗi α peptide gồm có 3 vùng
− Vùng lớn nhất là vùng xoắn ốc nằm ở giữa: chuỗi amino acid Gly – X – Y, Gly –
pro – OHpro
− 2 vùng telopeptide ở 2 đầu (gồm 16 ÷ 25 amino acid): phần Lysine (các liên kết
đồng hóa trị)
9
Chương 1 – Tổng quan
Hình 1.6 – Cấu trúc của procollagen và sự chuyển từ procollagen sang tropocollagen
Hình 1.7 – Sự hình thành các liên kết ngang

Đầu tiên ba sợi của collagen này xoắn lại theo kiểu xoắn ốc xung quanh một sợi hình
thành nên một bộ ba. Sau đó ba của những bộ ba này bắt với nhau và xoắn chung quanh
mỗi bộ ba để hình thành nên một sợi siêu cáp. Mỗi sợi này cũng liên kết với nhau để tiến
lại gần nhau bằng các liên kết ngang. Sự kết hợp này được gọi là một collagen siêu xoắn.
Cấu trúc ba chiều phức tạp này quyết định chức năng sinh học của collagen. (Colway
Australia, nd).
Collagen có 4 bậc cấu trúc trong đó:
• Bậc 1: là chuỗi polypeptide được tạo ra từ khoảng 1050 amino acid khác nhau (có
khoảng 20 loại), cấu trúc phổ biến là Glycine- X- Y. Trong đó X, Y thường là proline,
hydroxyproline. (Hình 1.8)
10
Chương 1 – Tổng quan
• Bậc 2: là sự hình thành nên các chuỗi xoắn alpha nhờ các liên kết hydro với
nguyên tắc là cứ 4 amino acid sẽ có 1 liên kết hydro. Ngoài ra còn có loại cấu trúc bậc
2 dạng tấm. Ta có thể thấy hình ảnh minh họa dưới đây.

Hình 1.8 – Cấu trúc bậc 2 của collagen
• Bậc 3: là cấu trúc dựa trên cơ sở cấu trúc bậc 2 nhưng có thêm một số liên kết ngay
trên chuỗi polypeptide của nó như liến kết hydro, liên kết ion, liên kết disunfide, liên
kết vander war…
11
Chương 1 – Tổng quan
Hình 1.9 – Cấu trúc bậc 3 của collagen
• Bậc 4: là cấu trúc của các phân từ collagen (còn gọi là tropocollagen). Tạo nên từ 3
chuỗi xoắn ốc alpha
Hình 1.10 – Cấu trúc bậc 4 của collagen
12
Chương 1 – Tổng quan
1.2.1.2 Đặc điểm cấu trúc sợi của collagen [3]
Phần lớn collagen trong mạng lưới ngoại bào được tìm thấy ở dạng sợi, bao gồm

những sợi mảnh, nhỏ. Thông qua quá trình tạo sợi, các phân tử collagen tổ hợp với nhau
hình thành nên các vi sợi (microfibril) bao gồm từ 4 ÷ 8 phân tử collagen hoặc với số
lượng nhiều hơn sẽ tạo thành các sợi (fibril). Những sợi này có đường kính từ 10 ÷ 500
nm tùy thuộc vào loại mô và giai đoạn phát triển. Các sợi collagen sẽ thiết lập nên các sợi
lớn hơn (fiber) và cao hơn nữa là các bó sợi (fiber bundle).
Hình 1.11 – Cấu trúc sợi của collagen
13
Chương 1 – Tổng quan
Hình 1.12 – Quá trình tổ hợp tạo sợi của các phân tử collagen
Các chuỗi collagen sắp xếp song song theo chiều dọc tạo thành các sợi với tính chu
kỳ nhất định. Chúng được sắp xếp so le nhau một khoảng 67 nm và có một khoảng trống
khoảng 40 nm giữa những phân tử liền kề nhau.
14
Chương 1 – Tổng quan
Hình 1.13 – Sự sắp xếp của phân tử collagen trong một sợi
Nhờ vào cấu trúc có thứ bậc, độ bền vốn có của các chuỗi xoắn ốc được chuyển sang
các sợi collagen, cung cấp cho các mô độ cứng, độ đàn hồi và những đặc tính cơ học
riêng biệt.
Có vài liên kết bên trong mỗi chuỗi triple helix và một số lượng biến thiên các liên
kết ngang giữa các chuỗi để hình thành nên những tổ hợp có trật tự (như sợi collagen).
Các bó sợi lớn hơn được tạo nên nhờ vào sự trợ giúp của một vài loại protein (bao gồm
những loại collagen khác nhau), glycoprotein và proteolycan để hình thành các loại mô
khác nhau từ sự sắp xếp luân phiên của những thành phần trên. Sự không hòa tan của
collagen là một trở ngại cho việc nghiên cứu nó cho tới khi người ta phát hiện
tropocollagen có thể được trích ly từ những động vật còn non do chưa xảy ra liên kết
ngang hoàn toàn. Tuy nhiên, sự phát triển của kỹ thuật hiển vi (Electron Microscopy
(EM) và Atomic Force Microscopy (AFM)) và sự nhiễu xạ tia X đã cho phép các nhà
15
Chương 1 – Tổng quan
nghiên cứu thu được những hình ảnh chi tiết về cấu trúc của collagen. Những tiến bộ này

có ý nghĩa quan trọng trong việc hiểu được cách thức mà collagen tác động lên mạng lưới
tế bào; sự xây dựng, phát triển, phục hồi, thay đổi của mô trong quá trình phát triển.
Hình 1.14 – Hình ảnh của bó sợi (a) và sợi (b) collagen
Sợi collagen là các tổ hợp có cấu trúc bán kết tinh của các phân tử collagen. Các vi
sợi kết hợp tạo nên sợi lớn hơn. Các sợi collagen được sắp xếp với những cách thức kết
hợp và mức độ tập trung khác nhau trong các mô khác nhau để cung cấp các đặc tính khác
nhau của mô.
1.2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến collagen:
- Ảnh hưởng của không khí
Ở các tuổi khác nhau, trong cơ thể sống hay trong ống nghiệm, không khí có một
vai trò 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, nguyên nhân là do sự thay đổi về
mặt hóa học và các liên kết của vài amino acid đã vượt quá thời gian.
- Ảnh hưởng của nước
16
Chương 1 – Tổng quan
Nước ảnh hưởng đến collagen theo những con đường khác. Nó giữ vai trò trực tiếp
trong các biến đổi hóa học của collagen thông qua sự thủy phân, sự hydrat hóa của các
gốc tự do, sự ổn định của các liên kết hydro, và tỉ lệ của sự hình thành gelatin.
Bowes và Raistrick (1967) đã nghiên cứu ảnh hường của mối liên hệ của độ ẩm và
pH lên phạm vi suy giảm thủy phân của collagen bằng sự phóng thích nitơ còn dư ở giai
đoạn cuối. Ở 40
0
C trong tám tuần, sự thủy phân collagen tăng lên với sự tăng độ ẩm (từ
40% lên 80%) và giảm pH (từ 5,0 xuống 2,5). Họ kết luận rằng khi sự suy giảm thủy phân
càng tiến xa, thì sự biến tính sẽ kéo theo và lần lượt tăng lên hơn là sự hoạt động thủy
phân.
- Ảnh hưởng của nhiệt độ
Đo lường ảnh hưởng của nhiệt độ lên sự hư hỏng của collagen bị cản trở bởi vì có
sự hao hụt nhiệt độ ở tại hoặc trên nhiệt độ đo lường đưa ra những kết quả không đáng tin

cậy (Bowes và Raistrick, 1964). Mối quan tâm đặc biệt là collagen bị hư hỏng về mặt vật
lý và hóa học sẽ bị hư hỏng ở tỉ lệ nhanh hơn, nhưng điều này đã không được chứng minh
và là một nội dung cho việc nghiên cứu sâu hơn. Như ta đã biết, sự biến tính phá hủy
collagen được điều khiển bởi cực ít các điều kiện hơn là sự biến tinh đầu tiên khi collagen
còn nguyên vẹn. Tính toàn vẹn về mặt vật lý và hóa học của collagen có thể được biểu thị
qua sự ổn định thủy nhiệt, cả khi giảm nhiệt độ sai lệch đối với các sợi đã bị hư hỏng
(Young, 1990).
1.2.2 Phân loại collagen
Tính đến thời điểm hiện tại, có 42 loại chuỗi polypeptide được nhận dạng. Chúng
được mã hóa bởi 41 loại gene khác nhau, tạo thành 27 loại collagen. Họ collagen được
phân loại thành những phân họ khác nhau dựa vào sự tổ hợp của các siêu phân tử [4]. Sự
phân bố trong các mô của những loại protein khác nhau thể hiện tính đa dạng và phạm vi
đáng chú ý, từ những loại collagen riêng biệt như collagen II, X có trong sụn đến những
loại collagen dạng sợi phân bố rộng khắp như collagen I và V. Những loại collagen khác
17
Chương 1 – Tổng quan
nhau thực hiện những chức năng chuyên dụng trong các mô và có phương thức sắp xếp
riêng biệt của các siêu phân tử. Một số loại được cấu tạo từ một tam phân (homotrimer),
trong khi đó những loại khác được cấu tạo từ nhiều tam phân. Loại collagen phong phú
nhất là những collagen dạng sợi hình thành những nền tảng cấu trúc của da, gân, xương,
sụn và những loại mô khác.
Hình 1.15 – Một vài dạng sinh học của collagen
Hiện tại, có ít nhất khoảng 13 loại collagen đã được trích chiết. Chúng khác nhau về
chiều dài của chuỗi xoắn ốc cũng như bản chất và kích cỡ của những phần không xoắn ốc
[1].
Có khoảng 27 loại collagen trong cơ thể trong đó 90% collagen là bao gồm các
loại I, II, III, IV. Các loại collagen này có thể phân thành 2 nhóm chính là nhóm collagen
có cấu trúc sợi và collagen không có cấu trúc sợi. Mỗi loại collagen có những đặc điểm
18