Tiểu luận cao học các thực phẩm chức năng ứng dụng trong làm đẹp

TRƯỜ

NG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HỒ CHÍ MINH

KHOA

KỸ THUẬT HÓA HỌC

NGÀN

H CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM



TIỂU LUẬN

THỰC PHẨM CHỨC NĂNG
&
DINH DƯỠNG NÂNG CAO

CÁC SẢN PHẨM CHỨC NĂNG
VÀ THỰC PHẨM CHỨC NĂNG LÀM ĐẸP
LỚP:

CH 2015

GVHD:

ĐỐNG THỊ ANH ĐÀO

Người thực hiện :

Hoàng Thị Hằng

1570423

Phan Thị Kiều Linh

1570428

Ngô Đặng Hồng Phương

1570435

TP Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2016

1


MỤC LỤC
MỤC LỤC......................................................................................................................................................2
I.Lão hóa da.................................................................................................................................................1
1.Cơ chế lão hóa da.................................................................................................................................1
Hiện tượng Hayflick.................................................................................................................................1
Lý thuyết gốc tự do..................................................................................................................................2
2.Một số hoạt chất sinh học tham gia vào quá trình lão hóa da..............................................................3
3.Con đường hình thành của glycation (AGE)..........................................................................................4
4.Vai trò của các protein glycation trong lão hóa da................................................................................5
II.Collagen....................................................................................................................................................8
1.Giới thiệu chung về Collagen................................................................................................................8
1.1.Khái quát về Collagen.....................................................................................................................8
1.2.Lịch sử phát triển của Collagen......................................................................................................9

1.3.Nguồn gốc thu nhận Collagen......................................................................................................11
2.Cấu tạo của Collagen...........................................................................................................................13
2.1.Thành phần hóa học của Collagen................................................................................................13
2.2.Cấu trúc phân tử Collagen............................................................................................................16
2.3.Cấu trúc sợi của collagen.............................................................................................................17
4.1.Tác dụng với nước........................................................................................................................21
4.2.Tác dụng với acid và kiềm.............................................................................................................21
4.3.Sự biến tính..................................................................................................................................23
4.4.Tính kỵ nước.................................................................................................................................24
4.5.Tính chất của dung dịch keo.........................................................................................................24
4.6.Tính chất Hydrat hóa của collagen...............................................................................................25

2


5.1.Ứng dụng trong thực phẩm..........................................................................................................26
5.3. Ứng dụng trong cơng nghệ mỹ phẩm..........................................................................................31
III. Astaxanthin...........................................................................................................................................36
1.Giới thiệu astaxanthin.........................................................................................................................36
2.Nguồn gốc astaxanthin........................................................................................................................37
3.Tính chất chức năng của astaxanthin..................................................................................................38
4.Một số sản phẩm Astaxanthin trên thị trường hiện nay.....................................................................40
1.Độ ổn định..........................................................................................................................................41
2.Chức năng...........................................................................................................................................41
3.Nguồn thực phẩm...............................................................................................................................43
4.Sự thiếu hụt và triệu chứng................................................................................................................44
5.Tương tác và chống chỉ định...............................................................................................................44
6.Tầm quan trọng của B3 với cơ thể.......................................................................................................45
1. Độ ổn định.........................................................................................................................................47
2. Nhu cầu..............................................................................................................................................48

3. Nguồn cung cấp.................................................................................................................................48
4. Chức năng..........................................................................................................................................49
5. Độ an toàn.........................................................................................................................................52
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................................................53

3


I. Lão hóa da
1. Cơ chế lão hóa da.
Quá trình lão hóa da có thể được chia thành hai nhóm: các quá trình bên trong và bên
ngoài.
Lão hóa da do môi trường ngoài chủ yếu là kết quả của sự tiếp xúc với tia cực tím. Có
nhiều giả thuyết khác nhau về nguồn gốc của lão hóa da nội tại (lão hóa da từ bên trong)
và thường được gọi là đồng hồ sinh học. Sự lão hóa này là do những thay đổi trong biểu
hiện gen dẫn đến những thay đổi trong tế bào. Sự tích lũy gốc tự do và sự hình thành các
glycation cũng được xem là những yếu tố tham gia vào quá trình lão hóa da.
Những tế bào chất bị phá hủy được cộng dồn, và những chất enzim mất dần khả năng xúc
tác theo thời gian có thể dẫn đến sự rối loạn chức năng của các tế bào và sự tích tụ của
những tế bào đã bị tổn thương và già yếu.
Giả thuyết Tiêu Tốn Năng Lượng cho rằng động vật được sinh ra chỉ sở hữu một lượng
hữu hạn các chất, năng lượng tiềm năng, hay khả năng sinh lý. Nếu chúng tiêu hao những
lượng vật chất này càng nhanh thì chúng sẽ càng nhanh chết (dựa theo lý thuyết hữu hạn
của Hayflick).
Hiện tượng Hayflick và lý thuyết gốc tự do giữ vai trò chính trong giải thích quá trình lão
hóa.
 Hiện tượng Hayflick.
Giới hạn Hayflick (Nghiên cứu về tuổi thọ của nguyên bào sợi người trong ống nghiệm.
Nó đã được tìm thấy rằng các tế bào có thể phân chia không quá 50 lần.) được Giáo sư
Leonard Hayflick tại Viện Nghiên cứu Wistar, Philadelphia, Mỹ, phát hiện vào năm

1961. Nó được xem là một cơ chế chống ung thư, ngăn dòng tế bào sản sinh vô hạn định,
tạo thành khối u. Đối với các loài động vật khác nhau thì mức giới hạn Hayflick cũng sẽ
khác nhau, ảnh hưởng trực tiếp tới tuổi thọ của động vật. Do đó, các tế bào chịu sự chi
phối của giới hạn Hayflick sẽ chịu trách nhiệm quy định tuổi thọ của động vật, và nhiều
nhà sinh vật học tin rằng nó là một trong những yếu tố kiểm soát tuổi thọ tối đa. Nhưng
các nhà khoa học chưa thể đưa ra lời giải thích hợp lý cho hiện tượng Hayflick. Sau đó,
1


vào năm 1971. Nghiên cứu viên tại Viện Vật lý Sinh hóa RAS AM Olovnikov, sử dụng
dữ liệu trên các nguyên tắc của sự tổng hợp DNA trong tế bào cho rằng giả thuyết
Hayflick là do thực tế rằng với mỗi nhiễm sắc thể phân chia tế bào hơi ngắn. Vào cuối
của các nhiễm sắc thể có các telomere sau mỗi lần nhân đôi của các nhiễm sắc thể có
được một chút ngắn hơn, và tại một số điểm được rút ngắn để các tế bào không thể phân
chia. Sau đó, nó dần dần mất sức sống của nó - trong trường hợp này, theo lý thuyết
telomere, và là sự lão hóa của các tế bào.
Nhưng một số tế bào có thể chia sẻ thời gian. Ví dụ, các tế bào giới tính. Có nền văn hóa
của các tế bào ung thư tiếp tục phân chia trong suốt hơn một trăm năm của nó. Hiện
tượng này được giải thích vào năm 1985, khi nó được phát hiện ra các enzyme, cho phép
khôi phục lại phần giảm của DNA - telomerase. Phát hiện này cho chúng ta thấy
telomerase khẳng định lý thuyết của sự lão hóa.
 Lý thuyết gốc tự do.
Các phản ứng sinh hóa bên trong tế bào "phóng" ra các gốc tự do (radical libre, free
radical). Thực chất một gốc tự do là một nguyên tử oxy "không ổn định", sẵn sàng bám
vào các phân tử quanh nó (để trở thành ổn định), Thuyết này phát xuất từ ý kiến của BS.
Denham Harman (Trường Đại học Nebraska) đưa ra hồi 1950: các gốc tự do là nguyên
nhân chính gây xáo trộn hoạt động của các ty lạp thể (mitochondries), bám vào các ADN.
Nguyên liệu chính của các mật mã di truyền, gây đột biến bên trong các tế bào….Nói một
cách khác là các gốc tự do là nguyên nhân của sự tự hủy hoại, của sự lão hóa ở cấp tế
bào.

Gốc tự do là những tiểu phân hóa học (phân tử, nguyên tử, ion) có một nguyên tử đơn
dộc ở lớp ngoài cùng. Với áp lực mạnh của điện tử đơn độc, gốc tự do có khả năng tương
tác với tất cả các phân tử của những tế bào bên cạnh nó, phá vỡ hoàn toàn màng tế bào,
làm hư hại gen di truyền hoặc hủy hoại toàn bộ tế bào. Nó làm tế bào già đi và gây ra các
bệnh lý tim mạch, viêm khớp, bệnh dạ dày- ruột, đục thủy tinh thể,thoái hóa võng mạc,
bệnh phổi, tiểu đường, ung thư, sa sút trí tuệ, parkinson, suy giảm hệ thống miễn dịch…
Gốc tự do sinh ra do chính hoạt động sống của mỗi tế bào và do tác động của môi trường
sống (tia phóng xạ, các bức xạ có năng lượng cao, tia tử ngoại, bụi, các chất độc). Thông
2


thường, chúng được sinh ra với lượng rất nhỏ và bị phá hủy ngay bởi các hệ thống chống
gốc tự do của cơ thể. Nhưng khi hệ thống bảo vệ này bị quá tải hay rối loạn (do môi
trường ô nhiễm, tân lý căng thẳng, tuổi tác…), quá trình lão hóa và các bệnh lý sẽ tiến
triển rất nhanh.
Gốc tự do và hiện tượng nhăn da:
Các phân tử của chất tạo keo collagen (vốn đứng riêng rẽ với nhau) bị các gốc tự do dán
vào nhau, gây nên những "liên kết chéo" (cross- linkage): cấu trúc căn bản của collagen
bị xáo trộn. Các tế bào của mô liên kết chịu trách nhiệm bài tiết và trùng tu collagen cũng
bị hư hại… nên da mất dần tình đàn hồi. Các vết nhăn xuất hiện. Biết rằng mô liên kết là
cái nền chung cho hết thảy các loại mô trong cơ thể thì ta hiểu vai trò của các gốc tự do
trong sự lão hóa của cơ thể. Nhưng mâu thuẫn thay, gốc tự do rất cần thiết cho đời sống,
nhờ có gốc tự do mà các bạch cầu bám vào được các vi khuẩn và siêu vi để tiêu diệt
chúng! Nhưng tế bào cũng sản xuất ra các chất kháng oxy (anti- oxydants) và sự sống
bên trong tế bào được thể hiện bởi sự xuất hiện liên tục của hai chất – gốc tự do và kháng
oxy - trong khoảnh khắc ngắn ngủi (1/1000 giây đồng hồ).
2. Một số hoạt chất sinh học tham gia vào quá trình lão hóa da.
Phân tích mô học cho thấy, trong sự lão hóa da, những phức hợp hóa học ở lớp hạ bì
nhiều hơn ở lớp thượng bì. Lớp hạ bì bao gồm các bó sợi collagen và fibrin cùng với các
proteoglycan và những thành phần ngoại bào khác. Các protein (collagen, elastin) giúp

duy trì cấu trúc và sức mạnh của da. Về mô học, quá trì lão hóa sẽ kéo theo sự teo lại của
các mô liên kết.
Hiện tượng hayflick và lý thuyết gốc tự do giữ vai trò chính trong giải thích quá trình lão
hóa. Những nguyên bào sợi lão hóa sẽ có những biểu hiện gen khác so với các nguyên
bào sợi còn phân chia. Những nguyên bào sợi trước lão hóa có có biểu hiện
metalloprorease (có tác dụng gây thoái hóa collagen) thấp. Chúng cũng tăng biểu hiện
các chất ức chế metalloprotease TIMP-1 và 3 (chất ức chế metalloprotease của mô). Tuy
nhiên đối với các nguyên bào sợi lão hóa sẽ tăng biểu hiện gen tạo thành metalloprotease
và giảm các chất TIMP-1 và 3.

3


Quá trình tăng các tác nhân oxy hóa do sự hình thành các gốc tự do từ mặt trời hay các
sản phâm thoái hóa bên trong làm thay đổi những biểu hiện gen dẫn đến quá trình lão hóa
và những biểu hiện viêm trên da. Sự tăng các metalloproteinase là kết quả của sự tăng
hoạt các yếu tố phiên mã: Kappa B (NF-kappa B) và protein-1 (AP 1).

3. Con đường hình thành của glycation (AGE).
Protein glycation bắt đầu hình thành từ hệ thống non enzyme bằng việc liên kết đường
aldehyde hoặc cetone với amino acid như lysine. Sản phẩm mới tạo ra là Schiff có đặc
tính không ổn định và sẽ được tái cấu trúc lại để hình thành sản phẩm bền vững hơn là
Amadori. Cả Schiff và Amadori có thể chuyển đổi khác hơn để hình thành các sản phẩm
AGE như carboxymethyllysine (CML), penosidine hay mold. Pentosidine được mô tả
chủ yếu bằng cấu trúc Maillard và được xem là một marker nhận biết protein glycation.
Chúng được tìm thấy trong tất cả mô collagen. Sự hình thành của pentosidine có thể bị ức
chế bởi sự thiếu hụt oxy hay phản ứng oxy hóa. Trong khi đó, có một cơ chế khác hình
thành pentosidine bên cạnh sự tái cấu trúc Amadori là sự tự oxy hóa. AGE tăng bởi cơ
chế oxy hóa đường bởi các kim loại chuyển tiếp xúc tác quá trình oxy hóa khử.

4


Cách thức ngăn chặn sự hình thành AGE.
Người ta có nhiều mục đích khác nhau để ức chế sự hình thành của các sản phẩm AGE.
Chất ức chế có thể hoạt động như là một chất cạnh tranh với đường và hay thay đổi cấu
trúc protein để ức chế quá trình gắn kết. Ví dụ: aspirin gây acetyl hóa lysine và ức chế
quá trình glycation này. Các chất ức chế khác phản ứng với aldose và ketose trong phản
ứng Maillard. Chất ức chế hóa hiệu quả nhất là aminoguanidine ức chế đồng thời nhiều
bước trong phản ứng Maillard. Một số chất khác là: pyridoxamine, thiamin pyrophosphat.
Do quá trình hình thành AGE phụ thuộc vào phản ứng oxy hóa nên việc sử dụng các chất
chống oxy hóa như vitamin C, E có thể có hiệu quả trong ngăn chặn sự glycation hóa.
4. Vai trò của các protein glycation trong lão hóa da.
Collagen và elastin là hai cấu trúc chính của protein mô người có những thay đối nhất
định về cấu trúc khi bị lão hóa. Liên kết ngang của pyridinoline (một chất gây lão hóa)
được hình thành bởi enzyme lysyl oxidase. Độ chính xác của quá trình enzyme này rất
quan trọng cho matrix ngoại bào.

5


Một liên kết khác theo cơ chế non enzyme được hình thành do protein và đường. Do sự
tái tổ chức và phản ứng Maillard giúp hình thành các sản phẩm glycation (AGE). Cấu
trúc AGE (kiểu pentosidine và mold) là những liên kết protein giữa lysine và arginine
hay giữa hai lysine.
Pentosidine được tìm thấy nhiều trong máu, mô collagen trong quá trình lão hóa và bệnh
tiểu đường. Quá trình protein glycation non enzyme là một quá trình chậm, do đó những
phân tử sinh học có đời sống dài như collagen cũng bị ảnh hưởng. Phân tích phản ứng
Maillard trên mô collagen da của người tiểu đường và không bị tiểu đường chứng tỏ có
sự liên quan nhất định giữa quá trình lão hóa và sự tích tụ collagen glycation trong cả 2

nhóm. Sản phẩm đầu tiên của quá trình glycation hóa là Amadori tăng 33% ở người 22
tuổi so với người 85 tuổi. Các sản phẩm AGE như GML và pentosidine tăng năm lần,
trên người bị tiểu đường, giá trị Amadori tăng ba lần, AGE tăng hai lần so với người bình
thường.
Sự glycation hóa gây ta một số bất lợi trên đặc tính collagen. Người ta nhận thấy rằng
phản ứng Maillard dẫn tới sự giòn và cứng của các collagen. Glycation ảnh hưởng đến
quá trình tập hợp các monomer thành sợi collagen. Ngoài ra nó còn ảnh hưởng đến sự
tương tác giữa các tế bào. Sự điều chỉnh đáp ứng lại quá trình này của matrix ngoại bào
tăng sự nhân lên, biệt hóa và biểu hiện gen. Như vậy, những thay đổi về các thành phần
non enzyme glycation của collagen có thể ảnh hưởng đến hoạt động của tế bào. Nhìn
chung, sự phát triển tế bào có các thành phần protein glycation khác biệt so với sự phát
triển tế bào bình thường. Một vài receptor cho CGE đã được xác định trên nhiều tế bào.
Đây là cách mà các glycation ảnh hưởng đến hoạt động của tế bào. RAGE receptoer được
tìm thấy trên người bị tiểu đường, Alzheimer và quá trình lão hóa. Sự kết hợp của AGE
với RAGE receptor dẫn đến kích hoạt yếu tố phiên mã NF-kappa B, gây tăng
metalloproteinase và các chất tiền viêm cytokine.
Các chất ức chế glycation protein phù hợp trong mỹ phẩm.
• Sử dụng các aminoguanidine, pyridoxamine hay aspirin là những thuốc được
lựa chọn và thường dùng cho bệnh nhân tiểu đường. Để sử dụng cho các dạng
bôi ngoài, phức hợp có hoạt tính phải dung nạp trên da, không gây kích ứng và

6


không độc, không tác dụng phụ. Ngoài ra, chúng cần phải được hấp thu qua da
đến được lớp thượng bì và lớp bì (nơi các glycation tác động).
• Monosaccharide là một ngồn gây glycation hóa nên cần được loại ra khỏi mỹ
phẩm. Các sản phẩm dưỡng ẩm thường có thể bao gồm các thành phần đường
đơn giản và tham gia vào hình thành các glycation. Những thành phần giữ ẩm
tốt nên được thay bằng các amino acid hay lactat, là những thành phần không

chứa yếu tố tham gia vào quá trình glycation hóa.
• Do quá trình tạo ra AGE phụ thuộc vào phản ứng oxy hóa, do đó các thành
phần chống oxy hóa là phụ hợp cho mỹ phẩm. Ngoài ra các tác nhân tạo phức
với kim loại cũng cần được thêm vào để khóa đi tác dụng tự oxy hóa của
đường xúc tác bởi các kim loại chuyển tiếp.
• Tất cả các cơ quan trong cơ thể tự bảo vệ bằng các chất chống oxy hóa tan
trong dầu như vitamin E, carotenoid và các chất chống oxy hóa tan trong nước
như vitamin C, glutathion, polyphenol, catechin, epicatechin.

7


II. Collagen
1. Giới thiệu chung về Collagen.
1.1.

Khái quát về Collagen.

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. Collagen
là loại protein cấu trúc chính yếu, chiếm khoảng 25% - 35% tổng lượng protein trong cơ
thể ở các động vật có xương sống. Collagen được phân bố trong các bộ phận như 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,... Khoảng 10% protein
trong cơ ở động vật có vú là collagen, các protein ngoại bào (hơn 90% trong gân, xương
và khoảng 50% trong da) có chứa collagen.
Trong thành phần của da, collagen chiếm khoảng 70% cấu trúc da và được phân bố chủ
yếu ở lớp hạ bì của da, tạo ra một hệ thống nâng đỡ, hỗ trợ các đặc tính cơ học của da
như : sức căng, độ đàn hồi, duy trì độ ẩm,... Nó đóng vai trò kết nối tế bào, kích thích
quá trình trao đổi chất, tạo độ 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 và chảy xệ. Tùy theo từng độ tuổi, điều kiện sống và tác động của môi
trường, da có thể bị lão hóa hoặc tổn thương , khi đó sợi collagen sẽ mất dần tính đàn hồi
và săn chắc do cấu trúc collagen bị phá hủy. Chính vì vậy mà collagen đóng vai trò là
một trong những chất quan trọng hàng đầu của ngành thẩm mỹ, đặc biệt là chăm sóc da,
phẫu thuật thẩm mỹ, phẫu thuật bỏng...
Collagen cũng được phân bố ở giác mạc, và tồn tại dưới dạng tinh thể. Trong mô cơ,
collagen chiếm khoảng từ 1% đến 2%. Trong cơ thể người, collagen chiếm từ 20 – 25%
protein của cơ thể.

8


Collagen là thành phần chính của mô liên kết, có chức năng tạo độ vững chắc và đàn hồi.
Collagen có tác dụng giống như một chất keo liên kết các tế bào lại với nhau để hình
thành các mô và cơ quan nền tảng trong cơ thể. Collagen cung cấp cho các mô liên kết
những đặc tính nổi trội nhờ vào sự hiện diện rộng khắp và sự sắp xếp mang tính cấu trúc
của nó. Theo quan điểm y sinh, collagen đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển, hàn
gắn vết thương, là thành phần hoạt hoá các tiểu cầu trong máu và sự hình thành mạch.
Thêm vào đó sự phát triển của một số bệnh di truyền được xác định là do sự đột biến
trong cấu trúc gen của collagen. Những rối loạn trong quá trình tổng hợp hoặc phân giải
collagen đều được ghi lại như là nguyên nhân của nhiều căn bệnh phức tạp như chứng
viêm khớp, xơ gan, bệnh đái đường và ung thư cũng như những bệnh có liên quan đến sự
lão hoá. Collagen phân bố khắp nơi trong cơ thể, từ chỗ gân nối bắp chân với gót chân
cho tới giác mạc. Trong gân và dây chằng, collagen có tác dụng truyền lực từ cơ sang
xương và tích trữ năng lượng đàn hồi. Chính nhờ tính chất này mà cơ thể có thể di
chuyển, vận động một cách nhịp nhàng và uyển chuyển. Collagen còn là chất nền hữu cơ
có trong xương và men răng giúp chúng chống lại sự rạn nứt. Nó là thành phần chính

trong da, mạch máu, các cơ. Bên cạnh các chức năng cơ học, ở giác mạc, thủy tinh thể,
trật tự cấu trúc của các sợi collagen tạo nên sự trong suốt duy trì thị lực.
Collagen được xem như một vật liệu mang tính xây dựng. Sự linh hoạt của nó là nhờ vào
cấu trúc cấp bậc phức tạp, tạo nên sự đa dạng trong tính chất nhằm phục vụ những chức
năng nhất định. Xét về mặt kinh tế, nguồn nguyên liệu giàu collagen dùng để sản xuất ra
gelatine- chất có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau: thực phẩm, y học và
dược phẩm, mỹ phẩm, công nghệ nhiếp ảnh,...
1.2.

Lịch sử phát triển của Collagen.

Theo tiếng Hy Lạp, collagen có nghĩa là “người sản xuất keo hồ”, nói đến quá trình nấu
da và gân của ngựa cùng những loài động vật khác để thu được hồ. Keo dán collagen đã
được người Ai Cập sử dụng cách đây 4000 năm và người Mỹ sử dụng nó cách đây
khoảng 1500 năm.
Từ hơn 2000 năm trước, con người đã biết sử dụng mô liên kết và sản phẩm của nó trong
chế biến thực phẩm để tạo ra các sản phảm dạng gel, các chất dính. Người Ai Cập cổ đại
9


đã sản xuất ra được collagen và những nghiên cứu cho thấy trong những thế kỉ tiếp theo
đã thật sự xuất hiện collagen trong các bữa tiệc, ví dụ trong món cá hồi hay bánh hoa
quả,...
Năm 1682, một người Pháp tên Papin đã công bố một kết quả là đã thu được một hỗn
hợp giống jelly từ xương. Từ năm 1700, thuật ngữ collagen trở nên thông dụng.
Năm 1754, bài báo đầu tiên trong lĩnh vực chất dính được công nhận ở Anh về việc sản
xuất chất dán của một người thợ làm đồ gỗ. Các chất hồ dán tự nhiên được sản xuất trên
thành phần cơ bản là collagen và một vài chất khác.
Năm 1850, công nghiệp sản xuất collagen xuất hiện tại Mỹ, nguồn nguyên liệu chính lúc
này là xương.

Năm 1871, một phát hiện quan trọng của bác sĩ người Anh Richard Leach Maddox về
ứng dụng của collagen đã đưa đến bước đột phá trong ngành công nghiệp hình ảnh, vị
bác sĩ đã cải tiến “dry plate” với một lớp gelatin – bạc bromua và còn nhạy hơn khi so
với “wet plate” . Sau đó nghiên cứu của Charles Bennet đã tiếp tục hoàn thiện phương
pháp dùng “dry plate”. Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này là giảm rất nhiều thời
gian trong công nghiệp nhiếp ảnh.
Cuối thế kỉ 19, khi ngành công nghiệp sản xuất collagen xuất hiện đã làm tăng thêm các
ứng dụng của collagen trong các ngành công nghiệp khác và ổn định tính chất sản phẩm.
Năm 1930, ngành sản xuất collagen được phát triển mạnh mẽ khi da heo được xem như
là một nguồn nguyên liệu thu nhận collagen. Ngành công nghiệp sản xuất collagen ở
Châu Âu chỉ mới bắt đầu khoảng những năm 1930 nhưng Châu Âu lại trở thành khu vực
sản xuất collagen quan trọng nhất trên thế giới.
Năm 1950, công nghiệp sản xuất collagen có những bước phát triển đáng kể về kĩ thuật,
từ đó là nền tảng cho các tiêu chuẩn trong sản xuất và chất lượng sản phẩm ngày nay.
Ngày nay, sự hiểu biết về acid amin và protein nói chung, collagen cũng như gelatin nói
riêng ngày càng nhiều. Thêm vào đó là những tiến bộ trong kĩ thuật đã giúp sản phẩm
collagen đạt an toàn vệ sinh, chất lượng theo tiêu chuẩn quốc tế và yêu cầu nghiêm ngặt
của các yếu tố kĩ thuật.

10


1.3.

Nguồn gốc thu nhận Collagen

Trong những năm trước đây, để đáp ứng nhu cầu trong công nghiệp, collagen được trích
ly chủ yếu từ da, xương của các loài gia súc và lợn. Khoảng thời gian gần đây, sự bùng
phát của các loại bệnh truyền nhiễm như bệnh bò điên (Bovine Spongiform
Encephalopathy – BSE, Tranmissible Spongiform Encephalopathy – TSE) và bệnh lở

mồm long móng (Food and Mouth Disease – FMD) ở lợn và gia súc đã hạn chế phạm vi
sử dụng của collagen có nguồn gốc từ những loài động vật trên bởi vì những bệnh truyền
nhiễm có khả năng lây truyền sang con người thông qua các mô của động vật. Bên cạnh
đó, ở một số quốc gia, collagen trích ly từ lợn không được sử dụng vì rào cản tôn giáo.
Với những nguyên nhân trên, các nhà khoa học đang tập trung vào các nghiên cứu của họ
để tìm ra những nguồn collagen thay thế. Da, xương, vây, vảy của cả những loài cá nước
ngọt, đặc biệt là cá da trơn: cá tra, cá ba sa, cá biển, da gà, da ếch, da mực,… có thể được
sử dụng như những nguồn thay thế.
Trong số những nguồn thay thế, cá cung cấp một nguồn nguyên liệu thô tốt nhất vì:
• Dễ tìm, sẵn có để sử dụng.
• Không có sự lây truyền bệnh.
• Không gặp phải trở ngại về mặt tôn giáo.
• Có khả năng thu được collagen với hiệu suất cao.
Khoảng 70% tổng trọng lượng cơ thể của cá bị bỏ đi dưới dạng các phế phẩm như da,
xương, vây, đầu, vảy, ruột,… trong suốt quá trình chế biến. Việc tận dụng những chất
thải này có thể nâng giá trị kinh tế của các loài cá lên.
Dựa vào thành phần % của tổng lượng collagen tính trên tổng lượng protein, các loài cá
được chia thành 3 nhóm:
• Nhóm có hàm lượng collagen thấp: tổng lượng collagen chiếm đến 5 % so với
tổng lượng protein.
• Nhóm có hàm lượng collagen trung bình : tổng lượng collagenchiếm từ 5 ÷ 10 %
tổng lượng protein.
• Nhóm có hàm lượng collagen cao: tổng lượng collagen trên 10 % tổng lượng
protein.

11


Thịt của những loài cá khác nhau chứa hàm lượng khác nhau của collagen hòa tan trong
acid (acid soluble collagen) và collagen không hòa tan (insoluble collagen). Hàm lượng

collagen tổng cộng dao động từ 0,3 ÷ 2,99 % so với trọng lượng tươi của các mô, tương
ứng với phạm vi từ 1,58 ÷ 13,39 % so với tổng lượng protein.
Bảng 1.1
Loại cá

Cá chim
trắng
Sardine
Cá thu
Cá bơn
Cá chép
Cá đối
Cá ngừ
Cá mập
Cá đuối

Thành phần collagen trong thịt cá

Collagen hòa tan

Collagen không

Collagen tổng

Collagen tổng

trong acid

hòa tan

(so với trọng

(so với protein tổng)

(so với trọng lượng tươi)

(so với trọng lượng tươi)

lượng tươi)

0,19

0,11

0,3

1,58

0,36
0,38
0,4
0,49
0,94
1,06
2,13
2,3

0,09
0,09
0,18

0,21
0,25
0,39
0,86
0,5

0,45
0,47
0,58
0,7
1,19
1,45
2,99
2,8

2,42
2,41
2,98
3,25
5,89
7,35
13,11
13,39

Trong tất cả các loài, khả năng hòa tan của collagen trong thịt tương đối cao nhưng thấp
đối với những loại collagen trong nội tạng. Collagen trong da, vảy, xương và vây chiếm
phần lớn trong tổng lượng Collagen.
Cho đến nay, hầu hết các loại mỹ phẩm trên nền collagen đều có chứa protein chiết xuất
từ gia súc. Bởi sự bộc phát của bệnh bò điên BSE (Bovine Spongiform Encephalopathy –
mad cow disease), collagen từ gia súc đang dần rút khỏi phạm vi sử dụng, thay vào đó là

nguồn collagen được trích từ cá, đặc biệt là cá da trơn: cá tra, cá ba sa. Nguồn collagen
được chiết tách từ nguồn nguyên liệu này có nhiều đặc điểm tốt hơn cho việc ứng dụng
trong thực phẩm, y học và mỹ phẩm. Trong công nghệ sản xuất mỹ phẩm, mỹ phẩm trên
nền collagen từ gia súc có tốc độ hấp thụ rất chậm trên da người. Đối mặt với vấn đề này,
liệu pháp tiêm collagen vào da được giới thiệu. Tuy nhiên, những bất lợi của cách thức
này là đắt tiền, đau đớn và đi kèm với nó là những rủi ro nguy hiểm cho con người. Hiện
nay, các nhà khoa học Phần Lan đã phát triển một tiến trình trích ly collagen từ cá.

12


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. Vì 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.
Đối với các thuốc hay thức uống có chứa collagen, collagen từ cá cũng được chứng minh
là có tốc độ hấp thụ vào máu nhanh hơn gấp 1,5 lần so với collagen từ lợn.

Thời gian sau khi sử dụng

Hình 1.1

Đồ thị so sánh khả năng hấp thụ vào máu của collagen trích ly từ cá và từ

lợn
2. Cấu tạo của Collagen.
2.1.

Thành phần hóa học của Collagen.

Thành phần protein trong collagen có gần đầy đủ các loại acid amin, bao gồm tất cả 20
loại acid amin ( Schrieber và Gareis,2007). Thành phần acid amin có thể thay đổi tùy
theo nguồn gốc của collagen, nhưng vẫn tồn tại một vài tính chất chung và duy nhất cho
tất cả collagen.
13


Trong thành phần collagen không chứa cystein và trytophan, nhưng chứa một lượng lớn
glycine (Gly), chiếm khoảng 33% và proline (Pro), chiếm tỉ lệ 12% và hydroxyproline
(Hyp), chiếm tỉ lệ 22% (Theo Balian và Bowes 1977). Collagen là một trong số ít những
protein có chứa hydroxylysine (Hyl), ngoài ra trong thành phần Collagen còn chứa
khoáng, chiếm tỉ lệ 1%.
Bảng 1.2 So sánh thành phần các acid amin trong collagen và các loại protein khác
(số gốc/1000 gốc)
Glycine
Alanin
Valine
Leucine
Isoleucine
Serin
Threonine
Cystein
Methionine
Aspatic acid
Glutamic acid
Lycine
Hydroxylycine
Arginine
Histidine
Phennylalanine

Tyrosine
Trytophan
Proline
Hydroxyproline

Collagen
363
107
29
28
15
32
19
5
47
77
31
7
49
5
15
5
131
107

Casein
30
43
54
60

49
60
41
2
17
63
153
61
25
19
28
45
8
65
-

Albumin
19
35
28
32
25
36
16
1
16
32
52
20
15

7
21
9
3
14
-

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 đó góp phần tạo nên sự bền
vững cho cấu trúc xoắn ốc bậc 3. Nhóm hydroxyl của hydroxylproline đóng vai trò quan
trọng trong sự bền vững cấu trúc xoắn ốc bậc 3 của collagen. Polypeptide của collagen
mà thiếu hydroxylproline sẽ tạo nên cấu trúc gấp khúc ở nhiệt độ thấp và sẽ không bền
vững ở nhiệt độ thân nhiệt.

14


Hydroxyproline là một acid amin đặc trưng của collagen mà các loại protein khác không
có. Hydroxyproline được hình thành sau quá trình điều chỉnh proline khi được kết hợp
vào vị trí Y trong chuỗi Gly-X-Y. Hydroxyproline có công thức phân tử là C 5H9NO3,
khác với proline, trong công thức cấu tạo của Hyp có gắn nhóm OH nằm ở vị trí cacbon
gamma, acid amin này có vai trò quan trọng trong sự ổn định cấu trúc của collagen, là
dẫn xuất của proline trong quá trình hình thành chuỗi collagen có sự xúc tác của enzyme
hydroxylase proline và sự có mặt của Vitamin C để giúp bổ sung thêm Oxy, thiếu
vitamin C sẽ làm chậm quá trình tổng hợp hydroxyproline, ảnh hưởng đến quá trình xây
dựng cấu trúc protein gây ra những rối loạn trong cơ thể.

Hình 1.2
Công thức cấu tạo của hydroxyproline
Phân tử collagen bao gồm 3 chuỗi xoắn lại với nhau tạo thành collagen triple-helix tạo

thành cấu trúc 3D- một mô hình lý tưởng cho các liên kết hydro giữa các chuỗi (Te
Nijenhuis, 1997). Mỗi chuỗi trong triple- helix quay theo chiều kim đồng hồ. Triple-helix
dài xấp xỉ 300nm và chuỗi có khối lượng phân tử khoảng 105 kDa (Papon, Leblon và
Meijer, 2007). Triple-helix được ổn định bởi liên kết hydro nội giữa các chuỗi. Trong cấu
trúc phân tử collagen, do tương tác giữa các mạch polypeptide 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. Sự biến tính collagen làm cho các cầu nối bị tách một phần hoặc hoàn toàn
gây nên sự tách rời các chuỗi do phá hủy các liên kết hydro, chính điều này làm mất đi
cấu trúc triple-helix.

15


2.2.

Cấu trúc phân tử Collagen.

Phân tử collagen là một protein hình trụ, có cấu trúc bậc 4, do các đơn vị tropocollagen
cấu trúc bậc 3 tổ hợp theo các hướng dọc và ngang làm collagen có nhiều mức cấu trúc..
Đơn vị cơ bản của collagen là “Tropocollagen”, liên kết với nhau tạo thành những sợi
nhỏ. Tropocollagen là một cấu trúc dạng sợi hình ống chiều dài khoảng 300nm, đường
kính 1.5nm, gồm ba sợi polypeptide (còn gọi là 3 chuỗi ) cuộn lại với nhau, mỗi chuỗi α
cuộn thành đường xoắn ốc theo hướng từ phải sang trái với 3 gốc trên một vòng xoắn,
hay còn gọi là proline I ( xoắn trái với 3.3 gốc aminoacid/ vòng, liên kết peptid có hình
thể cis ), ba chuỗi này xoắn lại với nhau theo hướng từ trái sang phải tạo thành đường bộ
ba xoắn ốc (triple helix) hay còn gọi là proline II ( xoắn trái với 3 gốc aminoacid/ vòng,
liên kết peptid có hình thể trans), khoảng cách giữa hai gốc tính từ hình chiếu của chúng
lên các trục là 0,31nm. Hai cấu trúc này có thể chuyển đổi cho nhau và thường thì dạng II
trong môi trường nước thì bền hơn.

Hình 1.4 Cấu trúc của Tropocollagen ( triple helix )
Các tropocollagen sẽ liên kết ngang với nhau theo kiểu cộng hóa trị và chính nhờ vào liên
kết này mà các phân tử tropocollagen hình thành nên sợi collagen. Các sợi collagen rất
dài và mảnh, chúng sắp xếp tạo thành mạng collagen.

16


Hình 1.5

Hình1.6
2.3.

Liên kết ngang giữa các phân tử Tropocollagen

Sự chuyển từ procollagen sang tropocollagen

Cấu trúc sợi của collagen.

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
17


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 1.8 Cấu trúc sợi của 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 lớn hơn sẽ kết hợp với nhau tạo thành những bó sợi
collagen. 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.
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.
Nhờ vào cấu trúc có thứ bậc, độ bền vốn có của các chuỗi xoắn ốc được chuyển sang các
sợi collagen, tạo cho các mô có được độ cứng, độ đàn hồi và những đặc tính cơ học riêng
biệt.
3. 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. Sự phân bố

18


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 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.
Dựa theo cấu trúc và cách tổ chức sắp xếp các phân tử trong chuỗi, collagen được phân
chia thành 7 nhóm chính : collagen dạng hình sợi, FACIT collagen, collagen dạng mạng,
collagen dạng giữ chặt, collagen chuyển màng, collagen màng nền và các loại collagen có
chức năng duy nhất khác. Những loại collagen này khác nhau về chiều dài của chuỗi

xoắn ốc cũng như bản chất và kích cỡ của những phần không xoắn ốc.
Bảng 1.4 Phân loại và vị trí phân bố các loại collagen
Dạng collagen

Collagen dạng sợi

Loại
I

Cấu tạo phân tử
[1(I)]2 2(I)]

Phân bố
Xương, gân, dây

II

[1(II)]3]

chằng, giác mạc,..
Sụn, thủy tinh thể, ...
Da,thành mạch máu,

III

[1(III)]3]

lưới sọi của cá
mô( phổi, gan,

1(V), 2(V),3(V)

lách,...
Phổi, giác mạc,

XI
IV

1(XI)2(XI)3(XI)
[1(IV)]2 2(IV)]

xương,...
Sụn, thủy tinh thể,...
Màng nền

VI

1-2
1(VI), 2(VI),3(VI)

Sụn, phổi, thành

V

Màng nền collagen
Collagen vi sợi

mạch máu,
Da, vùng chuyển

Sợi neo collagen
VII

[1(VII)]3

tiếp biểu bì - da,
niêm mạc miệng,...

19


Dạng mạng lưới

VIII

[1(VIII)]2 2(VIII)]

Màng tế bào,...

X
IX

[3(X)]3
1(IX)2(IX)3(IX)

Sụn,...
Sụn, dịch thủy tinh,

[1(XII)]3

giác mạc,...
Màng sụn, dây

lục giác collagen

FACIT collagen
XII

chằng, gan,...
Gan, thành mạch
FACIT collagen

XIV
XIX

[1(XIV)]3
[1(XIX)]3

máu, phổi, cơ vân,...
Sarcoma cơ vân của
con người
Biểu mô giác mạc,

XX

Collagen chuyển

[1(XX)]3

phôi da, xương ức

XXI

[1(XXI)]3

sụn, gân,...
Thành mạch máu,...
Biểu bì, nang tóc,

XIII

[1(XIII)]3

ruột, sụn bào, phổi,

[1(XVII)]3

gan,...
Vùng chuyển tiếp

XVII

biểu bì – da,...
Nguyên bào sợi, các

màng
XV
XVI
XVII

[1(XV)]3

té bào cơ trơn, thận,

[1(XVI)]3

tụy,..
Nguyên bào sợi,

[1(XVII)]3

phiến keratin,...
Phổi, gan,...

Collagen loại I là phổ biến nhất và thường ở trong các mô liên kết như da, xương, gân.
Collagen loại II hầu như tồn tại ở các mô sụn. Collagen loại III lại phụ thuộc rất lớn vào
độ tuổi của động vật, da heo còn trẻ chứa tới 50%, theo thời gian tỷ lệ này giảm 5÷ 10%.
Những loại colagen khác chỉ hiện diện với lượng rất nhỏ và chỉ ở một vài cơ quan đặc
biệt.

20


Hơn 90% collagen trong cơ thể là các collagen loại I, II, III và IV. Những bệnh tật liên
quan đến collagen là do sự khuyết tật về gene ảnh hưởng đến sự sinh tổng hợp, sự sắp
xếp cũng như các quá trình khác trong sự sản sinh collagen một cách bình thường.
4. Tính chất của Collagen.
Collagen là một protein cấu trúc. Chính vì vậy collagen cũng có đầy đủ các tính chất hóa
lý của một protein.
4.1.

Tác dụng với nước.

Collagen không hòa tan trong nước mà nó hút nước để nở ra, nguyên nhân là do tương
tác giữa các mạch polypeptide 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. Cứ 100g collagen
khô có thể hút được khoảng 200g nước. Collagen kết hợp với nước nở ra trong nước, 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 tác dụng lên liên kết hydro trong liên kết phối trí của collagen làm
giảm tính vững chắc của sợi collagen từ 3 – 4 lần. 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. Khi nhiệt độ tăng lên trong khoảng 60 – 65 0C collagen
hút nước bị phân giải. Nhiệt độ phân giải của collagen trong nguyên liệu chưa xử lý
tương đối cao. Khi nguyên liệu đã khử hết chất khoáng, thì nhiệt độ phân giải của nguyên
liệu sẽ giảm xuống.
4.2.

Tác dụng với acid và kiềm.

Collagen có thể tác dụng với acid và kiềm, do trên mạch của collagen có

gốc

carboxyl và amin. Hai gốc này quyết định hai tính chất của nó. Trong điều kiện có acid
tồn tại, ion của nó tác dụng với gốc amin, điện tích trên carboxyl bị ức chế (hình thành
acid yếu có độ ion hóa thấp). Trái lại gốc amin bị ion hóa tạo NH3+.
• Môi trường H+

COOH

NH3+…Cl-

COOH

NH3+…Cl-

21
COOH

NH3+…Cl-

NH3+…Cl-


• Môi trường OHCOO-…Na+

NH2

NH2

NH2

COO-…Na+

COO-…Na+

COO-…Na+

NH2

Trong điều kiện có nước, nước có thể tác dụng với nhóm gốc có mang điện trong kết cấu
protide và những ion Na+, Cl- hình thành tác dụng hợp nước phụ của collagen, khiến
collagen trong môi trường acid, kiềm có độ hút nước cao hơn trong nước nguyên chất.
Ngoài ra acid và kiềm có thể làm cho collagen biến đổi như sau:
• Cắt đứt mạch muối (liên kết giữa –NH3+…COO-) làm đứt mạch peptide trong
mạch chính.
• Làm đứt liên kết hydrogen giữa gốc –CO…NH– của mạch xung quanh nó.
• Làm acid amin bị phân hủy giải phóng amoniac.
Cùng với những biến đổi đó, điểm đẳng điện của collagen hạ xuống thấp, (vì những biến
đổi đó mang tính chất thủy phân làm cho các nhóm gốc có tính hoạt động tăng lên nhiều).
Acid và kiềm đều có thể phân hủy collagen, nhưng sự phân hủy của collagen cho tới nay
vẫn chưa có khái niệm chính xác. Để biểu thị sự biến đổi chính xác của collagen dưới tác
dụng của acid, kiềm nói chung đều dùng độ keo phân giải làm chỉ tiêu. Độ keo phân giải
là chỉ số keo sinh thành sản phẩm có thể tan trong nước (thường là trong điều kiện đun
nóng), những sản phẩm này dưới nồng độ tương ứng tiến hành làm lạnh có thể biến thành

22