Nghiên cứu thu nhận, biến tính gelatin từ phế liệu thủy sản và ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
  

CHÂU THÀNH HIỀN

NGHIÊN CỨU THU NHẬN, BIẾN TÍNH GELATIN
TỪ PHẾ LIỆU THỦY SẢN VÀ ỨNG DỤNG
TRONG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

ĐÀ NẴNG - 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
  

CHÂU THÀNH HIỀN

NGHIÊN CỨU THU NHẬN, BIẾN TÍNH GELATIN

TỪ PHẾ LIỆU THỦY SẢN VÀ ỨNG DỤNG
TRONG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm
Mã số: 62.54.01.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1. PGS.TS ĐẶNG MINH NHẬT
2. PGS.TS TRẦN THỊ XÔ

ĐÀ NẴNG - 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được trích dẫn và ghi nguồn
tài liệu tham khảo đúng quy định.

Người cam đoan

Châu Thành Hiền

i


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN................................................................................................................................ i
MỤC LỤC.............................................................................................................................................. ii
DANH MỤC CHỮ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT.................................................................... iv
DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................................................. v
DANH MỤC CÁC HÌNH............................................................................................................ vii
MỞ ĐẦU................................................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU.................................................................................. 5
1.1. Tổng quan về collagen và gelatin.......................................................................................... 5
1.1.1. Tổng quan về collagen................................................................................................... 5
1.1.2. Quá trình chuyển từ collagen thành gelatin........................................................... 11

1.1.3. Tổng quan về gelatin................................................................................................... 12
1.1.4. Tổng quan về gelatin từ cá......................................................................................... 17

1.2. Tổng quan về gelatin biến tính............................................................................................. 20
1.2.1. Tác nhân biến tính........................................................................................................ 20
1.2.2. Cơ chế tạo liên kết ngang trong quá trình biến tính............................................. 21

1.3. Ứng dụng của gelatin............................................................................................................... 22
1.3.1. Gelatin trong thực phẩm............................................................................................. 22
1.3.2. Trong dược phẩm......................................................................................................... 24
1.3.3. Gelatin trong kỹ thuật phim ảnh............................................................................... 24
1.3.4. Gelatin làm chất bổ sung dinh dưỡng...................................................................... 24

1.4. Tổng quan về nguồn thủy sản và phế liệu thủy sản...................................................... 25
1.5. Tổng quan tình hình nghiên cứu về gelatin từ phế liệu thủy sản.............................25
1.5.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới........................................................................... 25
1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước............................................................................. 34

CHƯƠNG 2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...................38
2.1. Nguyên liệu.................................................................................................................................. 38
2.2. Hóa chất......................................................................................................................................... 38
2.3. Phương pháp nghiên cứu........................................................................................................ 39
2.3.1. Sơ đồ nghiên cứu.......................................................................................................... 39
2.3.2. Bố trí thí nghiệm........................................................................................................... 41
ii


2.3.3. Phương pháp phân tích hóa lý................................................................................... 46
2.3.4. Phương pháp phân tích hóa sinh............................................................................... 52
2.3.5. Phương pháp phân tích vi sinh.................................................................................. 52

2.3.6. Phương pháp phân tích cảm quan............................................................................. 53
2.3.7. Phương pháp phân tích số liệu thực nghiệm.......................................................... 54
2.3.8. Tối ưu hóa điều kiện thực nghiệm............................................................................ 54

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN........................................................................ 55
3.1. Nghiên cứu thu nhận gelatin từ phế liệu thủy sản......................................................... 55
3.1.1. Khảo sát thành phần hóa học cơ bản của một số loại da cá............................... 55
3.1.2. Nghiên cứu công đoạn xử lý nguyên liệu da cá.................................................... 56
3.1.3. Nghiên cứu công đoạn trích ly gelatin.................................................................... 70
3.1.4. Nghiên cứu làm sạch gelatin...................................................................................... 74
3.1.5. Xác định một số đặc tính của gelatin thành phẩm................................................ 85
3.1.6. Xác định chỉ tiêu an toàn vệ sinh thực phẩm và chỉ tiêu chất lượng của
gelatin....................................................................................................................................................... 91
3.1.7. Nghiên cứu chế độ bảo quản gelatin........................................................................ 92
3.1.8. Đề xuất quy trình thu nhận gelatin từ da cá quy mô phòng thí nghiệm..........95

3.2. Nghiên cứu biến tính gelatin từ da cá Ngừ Đại Dương............................................... 97
3.2.1. Biến tính bằng enzyme transglutaminase, acid caffeic và acid tannic.............97
3.2.2. Biến tính bằng polyphenol từ lá chè xanh............................................................ 108

3.3. Nghiên cứu ứng dụng gelatin............................................................................................. 117
3.3.1. Đánh giá khả năng ứng dụng làm chất tạo gel nhân kem marshmallow trong
sản xuất bánh chocopie...................................................................................................................... 117
3.3.2. Ứng dụng gelatin trong sản xuất kẹo dẻo hương cam....................................... 118
3.3.3. Ứng dụng gelatin biến tính bằng enzyme transglutaminase trong kỹ thuật vi
bao chất màu anthocyanin................................................................................................................. 122
3.3.4. Đánh giá khả năng ứng dụng gelatin biến tính bằng polyphenol chè xanh làm
màng bao bảo quản thịt...................................................................................................................... 124

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................................. 133

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

iii


DANH MỤC CHỮ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Abs
AC
AT
CS.
DNĐD
DTRA
ĐC
E.coli
FTIR
GBA
GBE
GBP
GBT
GNĐD
GNĐDS
GNĐDT
GTRA
GTRAS
GTRAT
HPLC
LOD
QCVN

SDS-PAGE
SEM
TCVN
THT
TGase
TNBS
UV-VIS

Độ hấp thụ
Acid caffeic
Acid tannic
Cộng sự
Da cá Ngừ Đại Dương
Da cá Tra
Mẫu đối chứng
Escherichia coli
Fourier transformed infrared
Gelatin biến tính bằng acid caffeic
Gelatin biến tính bằng enzyme transglutaminase
Gelatin biến tính bằng polyphenol
Gelatin biến tính bằng acid tannic
Gelatin từ da cá Ngừ Đại Dương
Gelatin từ da cá Ngừ Đại Dương có sóng siêu âm hỗ trợ
Gelatin từ da cá Ngừ Đại Dương xử lý bằng than hoạt tính
Gelatin từ da cá Tra
Gelatin từ da cá Tra có sóng siêu âm hỗ trợ
Gelatin từ da cá Tra xử lý bằng than hoạt tính
Sắc ký lỏng hiệu năng cao
Limit of detection: giới hạn định tính
Quy chuẩn Việt Nam

Kỹ thuật điện di SDS-polyacrylamide gel
Scanning electron microscopy – kính hiển vi điện tử quét
Tiêu chuẩn Việt Nam
Than hoạt tính
Enzyme transglutaminase
Trinitrobenzenesulfonic acid (C6H3N3O9S)
Ánh sáng tử ngoại – khả kiến

iv


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

1.1.

Một số loại collagen phổ biến

8

1.2.

Thành phần acid amin trung bình của gelatin (‰)

13

1.3.

Một số ứng dụng của gelatin trong sản phẩm thực phẩm

23

1.4.

Tóm tắt một số nghiên cứu thu nhận gelatin từ da cá trên thế giới

26

1.5.

Tóm tắt một số nghiên cứu biến tính gelatin từ da cá trên thế giới

32

1.6.

Tóm tắt một số nghiên cứu thu nhận gelatin từ da cá ở Việt Nam

35

2.1.

Một số hóa chất chính dùng trong nghiên cứu

38

3.1.

Thành phần hóa học cơ bản của một số loại da cá

55

3.2.

Kết quả xác định nồng độ acid và thời gian xử lý da cho độ bền
gel cao nhất cùng với độ nhớt và hiệu suất thu hồi gelatin

57

3.3.

Kết quả xác định hàm lượng vôi và thời gian xử lý da cá thích
hợp để thu được gelatin có độ bền gel cao nhất cùng với độ nhớt

59

và hiệu suất thu hồi
3.4.

3.5.

Kết quả xác định thời gian xử lý da trong huyền phù vôi, dung
dịch acid để thu được gelatin có độ bền gel cao nhất
So sánh kết quả xác định điều kiện tốt nhất để thu được gelatin từ
da cá khô và da cá lạnh đông bằng ba phương pháp acid, kiềm,

61

63

kết hợp kiềm-acid
3.6.

Điều kiện khảo sát sơ bộ làm sạch màu dịch gelatin bằng THT

79

3.7.

Mức yếu tố ảnh hưởng của điều kiện xử lý

80

3.8.

Điều kiện tối ưu làm sạch màu dịch gelatin bằng THT

81

3.9.

Độ màu của các loại gelatin

82

3.10.

Tổng điểm và điểm trung bình về độ mùi của các mẫu gelatin

83

3.11.

Hàm lượng các hợp chất gây mùi của gelatin

83

3.12.

Hàm lượng acid amin của gelatin

89

3.13.

Kết quả đánh giá các chỉ tiêu an toàn vệ sinh thực phẩm và chỉ
tiêu chất lượng của gelatin

91

v


Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

3.14.

Nồng độ gelatin thích hợp để biến tính

101

3.15.

Điều kiện thích hợp nhất để biến tính gelatin bằng
transglutaminase, acid caffeic, acid tannic

101

3.16.

Kết quả đánh giá cảm quan gelatin sau khi biến tính

106

3.17.

Kết quả phân tích các chỉ tiêu chất lượng polyphenol thô chè
xanh

108

3.18.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ nhớt, mức độ liên kết ngang và
độ bền gel gelatin

109

3.19.

Ảnh hưởng của hàm lượng polyphenol đến độ nhớt, mức độ liên
kết ngang và độ bền gel gelatin

110

3.20.

Ảnh hưởng của nồng độ gelatin đến độ nhớt, mức độ liên kết
ngang và độ bền gel gelatin

111

3.21.

Tóm tắt kết quả đánh giá chất lượng gelatin của nhà máy

117

3.22.

Công thức trong sản xuất kẹo dẻo

118

3.23.

Kết quả đánh giá các chỉ tiêu chất lượng của kẹo dẻo

120

3.24.

Một số chỉ tiêu của anthocyanin sau vi bao và không vi bao

123

3.25.

Ưu điểm, nhược điểm của các màng phim

128

3.26.

Chỉ tiêu vi sinh vật của thịt bò

132

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
hình

Tên hình

Trang

1.1.

Cấu trúc xoắn ba của collagen

6

1.2.

Trình tự sắp xếp các acid amin trong phân tử collagen

6

1.3.

Cấu tạo phân tử collagen

7

1.4.

Tương tác tạo liên kết ngang của collagen

10

1.5.

Phản ứng giữa phức có liên kết aldimine với histidine hình
thành liên kết ngang histidino-hydroxylysinonorleucine

10

1.6.

Phản ứng giữa phức có liên kết keto- amine với
hydroxylysine aldehyde, lysine aldehyde hình thành liên kết

11

ngang
1.7.

Các dạng gelatin, A: dạng hạt; B: dạng tấm; C: dạng sợi

13

1.8.

Độ nhớt gelatin phụ thuộc nhiệt độ và hàm lượng gelatin

15

1.9.

Mô hình phân bố điện tích của gelatin loại A và B trong dung
dịch

16

1.10.

Quy trình thu nhận gelatin tổng quát từ da cá

18

1.11.

Cơ chế tạo liên kết ngang của gelatin xúc tác bởi enzyme

21

1.12.

Cơ chế tạo liên kết ngang của gelatin bởi tác nhân hóa học

22

1.13.

Ứng dụng của gelatin trong sản phẩm kẹo, kem, thịt đông

23

2.1.

Sơ đồ nghiên cứu tổng quát

41

2.2.

Sơ đồ quy trình thu nhận gelatin từ da cá

41

2.3.

Sơ đồ nghiên cứu biến tính gelatin

45

3.1.

Ảnh hưởng của biên độ siêu âm đến độ bền gel, độ nhớt và
hiệu suất thu hồi

65

3.2.

Ảnh hưởng của chu kỳ đóng ngắt siêu âm đến độ bền gel, độ
nhớt và hiệu suất thu hồi gelatin

66

3.3.

Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến độ bền gel, độ nhớt và
hiệu suất thu hồi

67

3.4.

Ảnh hưởng của thời gian siêu âm trong huyền phù vôi đến độ

69

vii


Số hiệu
hình

Tên hình

Trang

bền gel, độ nhớt và hiệu suất thu hồi gelatin
3.5.

Ảnh hưởng của nhiệt độ trích ly đến độ bền gel, độ nhớt và

hiệu suất thu hồi gelatin

71

3.6.

Ảnh hưởng của thời gian trích ly đến độ bền gel, độ nhớt và
hiệu suất thu hồi gelatin

72

3.7.

Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi/ da cá đến độ bền gel, độ nhớt
và hiệu suất thu hồi gelatin

73

3.8.

Ảnh hưởng của loại tác nhân làm sạch màu đến độ đục và độ
hấp thụ quang của dịch gelatin

75

3.9.

Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý THT đến độ đục và độ hấp thụ
quang của dịch gelatin

76

3.10.

Ảnh hưởng của thời gian xử lý THT đến độ đục và độ hấp thụ
quang của dịch gelatin

77

3.11.

Ảnh hưởng của hàm lượng THT đến độ đục và độ hấp thụ
quang của dịch gelatin

78

3.12.

Sự phân bố khối lượng phân tử của gelatin

85

3.13.

Cấu trúc của gelatin thu nhận từ da cá Ngừ Đại Dương và da
cá Tra

86

3.14.

Phổ hồng ngoại của gelatin da cá Ngừ Đại Dương và da cá
Tra

88

3.15.

Gelatin từ da cá Ngừ Đại Dương và da cá Tra sau khi sấy khô

92

3.16.

Quy trình thu nhận gelatin từ da cá

95

3.17.

Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến sự thay đổi độ nhớt và
độ bền gel gelatin

98

3.18.

Ảnh hưởng hàm lượng transglutaminase, acid caffeic, acid
tannic đến độ nhớt và độ bền gel gelatin

99

3.19.

Ảnh hưởng của nồng độ gelatin đến mức độ tăng độ nhớt và
độ bền gel gelatin

100

3.20.

Ảnh điện di các mẫu gelatin biến tính và mẫu chuẩn marker

102

viii


Số hiệu
hình

Tên hình

Trang

3.21.

Vi ảnh cấu trúc của gelatin trước và sau khi biến tính

103

3.22.

Mức độ liên kết ngang của gelatin

104

3.23.

Phổ hồng ngoại (FTIR) của gelatin trước và sau khi biến tính

105

3.24.

Gelatin trước và sau khi biến tính bằng transglutaminase, acid
caffeic, acid tannic đã sấy khô

107

3.25.

Ảnh điện di các mẫu gelatin và mẫu chuẩn marker

112

3.26.

Ảnh vi cấu trúc gelatin trước và sau khi biến tính bằng
polyphenol

113

3.27.

Phổ hồng ngoại của gelatin biến tính bằng polyphenol

114

3.28.

Gelatin trước và sau khi biến tính bằng polyphenol chè xanh

114

3.29.

Quy trình biến tính gelatin

115

3.30.

Quy trình công nghệ sản xuất kẹo dẻo gelatin

118

3.31.

Sản phẩm kẹo dẻo hương cam

119

3.32.

Độ bền kéo đứt của kẹo

121

3.33.

Sản phẩm anthocyanin vi bao (MCR-A) và không vi bao
(UMCR-A)

123

3.34.

Sự thay đổi hàm lượng anthocyanin theo thời gian bảo quản

123

3.35.

Ảnh hưởng của nồng độ gelatin, hàm lượng glycerol đến độ
dày và độ hòa tan màng phim

125

3.36.

Ảnh hưởng của nồng độ gelatin, hàm lượng glycerol đến độ
trương phồng và độ thấm hơi màng phim

126

3.37.

Ảnh hưởng của nồng độ gelatin, hàm lượng glycerol đến độ
bền kéo và độ giãn dài của màng phim

127

x


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Gelatin với bản chất là protein được tạo thành từ sự phân giải collagen có
trong xương, da, gân, sụn,... từ các loài động vật có vú và các loài thủy sản.
Gelatin được ứng dụng nhiều trong các ngành y dược, mỹ phẩm, phim ảnh,...
vì những tính chất chức năng độc đáo của nó. Riêng trong ngành công nghệ thực
phẩm, gelatin được sử dụng với vai trò là chất ổn định, chất kết dính, chất nhũ hóa,
chất tạo gel,...[98].
Theo tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc (FAO), sản lượng
gelatin trung bình hàng năm trên thế giới khoảng 326.000 tấn và nhu cầu sử dụng
không ngừng gia tăng. Trong đó, gelatin được sản xuất từ da heo, da bò chiếm phần
lớn, gelatin từ các nguồn nguyên liệu khác chiếm tỷ lệ rất ít [93]. Tuy nhiên, do
những lo ngại về khả năng gây bệnh truyền nhiễm như lở mồm, long móng và các
vấn đề tôn giáo của gelatin từ động vật có vú, phế liệu chế biến thủy sản hiện đang

nổi lên như là nguồn nguyên liệu thay thế để cung cấp gelatin đầy tiềm năng [88].
Cùng với sự phát triển của ngành khai thác và chế biến thủy sản, lượng phế
liệu thủy sản thải ra môi trường ngày càng nhiều. Theo khảo sát của FAO, hơn 158
triệu tấn hải sản được đánh bắt và nuôi trồng hàng năm, trong đó chỉ khoảng 50%
được sử dụng làm thực phẩm, lượng còn lại được cho là phế liệu, không sử dụng
trực tiếp cho con người [91]. Ở Việt Nam, chỉ tính riêng khu vực Đồng bằng Sông
Cửu long, lượng phế liệu thủy sản thải ra hàng năm vào khoảng 300 ngàn tấn [8],
hầu hết được sử dụng làm thức ăn gia súc hoặc sơ chế dưới dạng nguyên liệu thô
với giá trị kinh tế thấp. Vì vậy, việc khai thác nguồn nguyên liệu này để sản xuất
gelatin thay thế gelatin có nguồn gốc từ động vật có vú đang là hướng đi được quan
tâm, có khả năng đem lại giá trị kinh tế cao và định hướng góp phần giảm thiểu ô
nhiễm môi trường.
Mặc dù trong thời gian gần đây đã có nhiều nghiên cứu trên thế giới và số ít
ở nước ta về công nghệ thu nhận gelatin từ các loại phế liệu thuỷ sản, nhưng do có
sự khác biệt về nguồn gốc nguyên liệu, điều kiện nghiên cứu, mục tiêu của nghiên
1


cứu – thu nhận gelatin với hiệu suất cao hay chất lượng cao - nên các kết luận đưa
ra không có sự thống nhất về phương pháp xử lý nguyên liệu, hoá chất sử dụng cho
đến điều kiện trích ly gelatin. Việc áp dụng các kỹ thuật tiên tiến như siêu âm trong
công nghệ chưa được quan tâm. Các loại phế liệu thủy sản phổ biến trong nước
chưa được nghiên cứu nhiều và chưa toàn diện.
Hơn nữa, hạn chế lớn nhất của gelatin từ phế liệu thủy sản là có khối lượng
phân tử nhỏ, dẫn đến các tính chất chức năng như độ bền gel, nhiệt độ nóng chảy,
độ nhớt,... thấp hơn so với gelatin từ động vật có vú. Để khắc phục những hạn chế
trên, một số nghiên cứu đã được thực hiện trên thế giới nhằm biến tính gelatin, cải
thiện các tính chất chức năng bằng các tác nhân vật lý, hóa học, sinh học khác nhau,
nhờ đó có thể mở rộng phạm vi ứng dụng của gelatin. Trong khi ở Việt Nam, vấn đề
này lại chưa được quan tâm đến.

Ngoài ra, do có nguồn gốc từ nguồn nguyên liệu mới – phế liệu thuỷ sản
hoặc do hệ quả của quá trình biến tính dẫn đến những thay đổi về chất lượng, khả
năng ứng dụng của gelatin từ phế liệu thuỷ sản cũng là vấn đề cần thiết phải đánh
giá.
Xuất phát từ những phân tích trên, đề tài “Nghiên cứu thu nhận, biến tính
gelatin từ phế liệu thủy sản và ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm” có ý
nghĩa thiết thực về mặt khoa học lẫn thực tiễn. Những kết quả thu được từ nghiên
cứu này sẽ bổ sung những hiểu biết mới về gelatin thuỷ sản, phát triển công nghệ
sản xuất và biến tính gelatin từ phế liệu này, cũng như đánh giá được khả năng ứng
dụng gelatin thủy sản trong công nghiệp thực phẩm, qua đó nâng cao giá trị của các
loại phế liệu thuỷ sản.

2. Mục tiêu nghiên cứu
- Xây dựng quy trình công nghệ thu nhận gelatin từ da cá với chất lượng và
hiệu suất thu hồi cao;
- Xây dựng quy trình biến tính gelatin từ da cá phế liệu nhằm cải thiện các đặc
tính chất lượng của gelatin;
- Đánh giá khả năng ứng dụng gelatin thu được trong sản xuất một số sản

2


phẩm thực phẩm.

3. Nội dung nghiên cứu
Để đạt được những mục tiêu nghiên cứu như trên, đề tài xác định các nội
dung cần thực hiện như sau:
- Phân tích thành phần hóa học để chọn da cá thích hợp làm nguyên liệu thu
nhận gelatin;
- Nghiên cứu phương pháp xử lý nguyên liệu da cá trước khi trích ly gelatin;

- Nghiên cứu điều kiện trích ly để thu được gelatin có chất lượng tốt và hiệu
suất thu hồi gelatin cao;
- Nghiên cứu làm sạch gelatin sau khi trích ly;
- Xác định thành phần, cấu trúc và các đặc tính chức năng của gelatin;
- Nghiên cứu biến tính gelatin bằng các tác nhân hóa học và enzyme;
- Đánh giá khả năng ứng dụng gelatin thành phẩm.

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Từ nội dung nghiên cứu được định ra trong luận án sẽ toát lên ý nghĩa khoa
học và ý nghĩa thực tiễn chính như sau:
* Ý nghĩa khoa học
- Đánh giá được hiệu quả của các phương pháp xử lý nguyên liệu cho một số
loại da cá phổ biến ở Việt Nam để thu nhận gelatin, cũng như khả năng làm sạch
gelatin bằng các loại than hoạt tính và cát, từ đó đề xuất quy trình công nghệ thu
nhận gelatin từ da cá có hiệu quả cao;
- Cung cấp thông tin khoa học về thành phần hóa học cơ bản của một số loại
da cá phổ biến ở Việt Nam, cũng như thành phần hóa học, cấu trúc và tính chất chức
năng của gelatin thành phẩm thu được từ da cá phế liệu;
- Đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố đến sự biến tính gelatin từ da cá
bằng enzyme transglutaminase, acid caffeic, acid tannic, polyphenol từ lá chè xanh,
qua đó đề xuất các quy trình công nghệ biến tính gelatin từ da cá nhằm cải thiện tính
chất chức năng của sản phẩm;
- Cung cấp thông tin khoa học về sự thay đổi tính chất, cấu trúc của gelatin

3


sau khi biến tính bởi enzyme transglutaminase, acid caffeic, acid tannic, polyphenol
từ lá chè xanh;
- Đánh giá được khả năng ứng dụng của gelatin thu được trong sản xuất một

số sản phẩm thực phẩm.
* Ý nghĩa thực tiễn
- Đặt cơ sở cho việc xây dựng công nghệ sản xuất gelatin từ da cá phế liệu có
hiệu quả cao, thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp sản xuất gelatin từ da
cá, đưa gelatin từ da cá trở thành nguồn nguyên liệu thay thế cho gelatin truyền
thống từ da heo, da bò trong công nghiệp thực phẩm cũng như các ngành công
nghiệp khác;
- Nâng cao được giá trị kinh tế các loại da cá phế liệu sẵn có, đồng thời góp
phần giảm thiểu tình trạng ô nhiễm môi trường bởi chất thải thủy sản.
- Làm cơ sở để phát triển nguồn gelatin từ cá, phục vụ sản xuất, chế biến
thực phẩm cho người theo đạo Hồi, không sử dụng thịt heo, thịt bò.

6. Cấu trúc của luận án
Luận án gồm 136 trang (không kể phần phụ lục), kết cấu bao gồm:
Mở đầu có 4 trang trình bày tính cấp thiết, mục tiêu, nội dung, ý nghĩa khoa
học, ý nghĩa thực tiễn của luận án.
Nội dung chính gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan tài liệu gồm 33 trang;
Chương 2: Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu, gồm có 17 trang;
Chương 3: Kết quả nghiên cứu gồm có 77 trang;
Phần kết luận và kiến nghị gồm 4 trang;
Các công trình nghiên cứu đã công bố 1 trang.
Ngoài ra phần các công trình công bố và tài liệu tham khảo gồm 16 trang.
Trong luận án có tổng cộng có 33 bảng, 53 hình vẽ và đồ thị. Có 131 tài liệu
tham khảo tiếng Việt, tiếng Anh và trang web.

4


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Tổng quan về collagen và gelatin
Gelatin là protein hòa tan, được thu nhận bằng cách thủy phân một phần
collagen có nguồn gốc từ da, mô sụn, xương động vật,… Gelatin có rất nhiều ứng
dụng quan trọng trong công nghiệp thực phẩm, sinh học, dược phẩm, y học, phim
ảnh,... bởi các tính chất chức năng độc đáo của nó.
Để sản xuất gelatin, nguyên liệu giàu collagen được ngâm trong dung dịch
acid hoặc kiềm loãng, dẫn đến sự phân cắt một phần các liên kết ngang của
collagen. Sau đó hỗn hợp được gia nhiệt, làm cho phân tử collagen được phân nhỏ
đến mức tan được trong nước ấm, khi đó gelatin đã được hình thành [98].
Để thu được sản phẩm gelatin tốt, đảm bảo chất lượng, yêu cầu nguồn
collagen phải tốt, phù hợp với yêu cầu sản phẩm gelatin. Chất lượng collagen phụ
thuộc vào nhiều yếu tố như nguồn nguyên liệu (bò, heo, cá,...), độ tuổi của nguyên
liệu, điều kiện sống của vật nuôi,…

1.1.1. Tổng quan về collagen
“Collagen” trong tiếng Hy Lạp được tạo nên từ 2 thành phần, một là “kolla”
có nghĩa là “keo” và hai là “gennao” có nghĩa là “sản xuất”, nên “collagen” có
nghĩa là “sản xuất keo” [44]. Collagen có chức năng như một chất keo gắn các bộ
phận trong cơ thể thành một khối hoàn chỉnh. Nếu không có collagen, cơ thể người
và động vật chỉ là các phần rời rạc không liên kết được với nhau. Đối với da của
người và động vật, collagen còn có nhiệm vụ tạo sự đàn hồi. Đây chính là lý do tại
sao collagen ở da có hình dạng khác so với collagen ở bộ phận khác.
Collagen là một trong những protein dạng sợi phong phú nhất và đáp ứng
được các tính chất chức năng cơ học, đặc biệt là ở động vật có vú, chiếm khoảng
25÷35% protein của toàn bộ cơ thể. Nó được tìm thấy chủ yếu ở các mô như: da,
gân và dây chằng. Chúng có hầu hết trong xương, ngà, răng, mạch máu, sụn và
trong các cấu trúc ngoại bào. Ngoài ra collagen cũng có mặt trong các loài động vật
không xương sống như các loại nhuyễn thể [44][102].
5

1.1.1.1. Cấu trúc của collagen
Collagen có cấu tạo tương đối phức tạp, cấu trúc đơn giản nhất là collagen
phân tử hay tropocollagen. Chúng có dạng hình sợi, được tạo thành từ 3 chuỗi
polypeptid (chuỗi α) liên kết với nhau, gọi là collagen xoắn ba và tạo thành cấu trúc
không gian 3D như hình 1.1.
8,6 nm
0,87 nm

1,5 nm

Hình 1.1. Cấu trúc xoắn ba của collagen [41]
Cấu trúc xoắn ba ổn định nhờ các liên kết hydro trong mỗi chuỗi và giữa các
chuỗi với nhau. Các chuỗi xoắn ba có chiều dài khoảng 300 nm và khối lượng phân
tử khoảng 105 kDa. Cấu trúc đặc biệt này là do sự lặp lại gần như liên tục của trình
tự các acid amin Gly-X-Y với khoảng 334 đơn vị, trong đó proline thường xuất hiện
ở vị trí Y và hydroxyproline hầu như luôn xuất hiện ở vị trí X.

Hình 1.2. Trình tự sắp xếp các acid amin trong phân tử collagen [44]
6


Glycine (Gly) chiếm khoảng 33% các thành phần acid amin, proline (Pro) và
hydroxyproline (Hyp) chiếm lần lượt khoảng 22% và 25%, các acid amin còn lại
được phân phối ngẫu nhiên ở vị trí X và Y [52].

Các acid amin, 1nm
Chuỗi xoắn ba
tropocollagen,

300nm

Các sợi collagen, 1µm

Bó sợi collagen, 10µm

Hình 1.3. Cấu tạo phân tử collagen [44]
Trong tất cả các acid amin, hydroxyproline đóng vai trò rất quan trọng cho sự
ổn định của collagen, là một acid amin đặc trưng của collagen và không được tìm
thấy trong bất kì một protein nào khác. Trong hydroxyproline có gắn nhóm -OH
nằm ở vị trí cacbon gamma. Polypeptide của collagen nếu thiếu hydroxyproline sẽ
tạo nên cấu trúc gấp khúc ở nhiệt độ thấp và sẽ không bền vững ở nhiệt độ thân
nhiệt [44].

1.1.1.2. Phân loại collagen
Cho đến nay khoảng 28 loại collagen khác nhau được xác định. Một số loại
collagen phổ biến được thống kê ở Bảng 1.1.
Hơn 90% collagen trong cơ thể thuộc loại I, collagen loại I được sử dụng để
sản xuất gelatin, bao gồm khoảng 1014 acid amin liên kết dưới dạng chuỗi với khối
lượng phân tử xấp xỉ 100.000 g/mol.

7


Bảng 1.1. Một số loại collagen phổ biến [98]
STT

Loại
collagen

1

I

[α1]2 α2

Sợi dài 300 nm

Da, gân, xương, dây
chằng,...

2

II

[α1]3

Sợi dài 300 nm

Sụn, thủy tinh thể

3

III

[α1]3

Sợi dài 300 nm

Da, cơ, mạch máu, phổi

4

V

[α1]2 α2 và
α1 α2 α3

Sợi kết hợp với loại I
với hai đầu chuỗi

Tương tự như loại I,
cũng có ở tế bào đang

hình cầu.

phát triển, thai nhi.

5

XI

Cấu tạo
phân tử

α1 α2 α3

Đặc trưng cấu trúc

Nguồn collagen

Sợi kết hợp với loại II Tương tự như loại II

1.1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc của collagen
a. Ảnh hưởng bởi nước
Nước giữ vai trò trực tiếp trong các biến đổi hóa học của collagen thông qua
sự thủy phân, sự ổn định các liên kết hydro và khả năng tạo thành gelatin.
Phân tử nước có tính lưỡng cực nên tác động đến các thành phần mang điện
tích âm và điện tích dương trong phân tử collagen, làm giảm sự thu hút tĩnh điện
giữa các ion bằng cách hình thành vỏ ngậm nước xung quanh. Collagen giữ nước ở
hai hình thức: nước cấu trúc và nước tự do.
Nước cấu trúc là nước hydrat hóa các nhóm chức chức năng của collagen
trong các dạng đơn lớp hoặc đa lớp. Mỗi nhóm phân cực trong collagen liên kết với
+

-

H hoặc OH của phân tử nước.
Phần nước tự do ảnh hưởng rất lớn đến cấu trúc không gian của collagen,
+

-

làm thay đổi lực tĩnh điện của các nhóm ion và liên kết hydro do H , OH [28][52].
b. Ảnh hưởng bởi acid và kiềm
+

-

Collagen cũng bị ảnh hưởng bởi nồng độ H và OH trong môi trường nước

vì collagen có bản chất là protein. Trong phân tử collagen có chứa các nhóm mang
điện, ở pH đẳng điện các liên kết nội phân tử chặt chẽ nhất. Sự gia tăng nồng độ H

8

+


-

hoặc OH làm phá vỡ các liên kết nội tại của chuỗi collagen để chúng liên kết với
ion, làm tăng điện tích dương hoặc âm tùy thuộc vào môi trường. Tuy nhiên,
collagen không liên kết một cách tự do với các điện tích trong môi trường mà nó chỉ
+

-

+

-

liên kết với một lượng nhỏ H hoặc OH . Bằng cách tăng nồng độ H hoặc OH dẫn
đến sự đẩy nhau giữa các điện tích cùng dấu tạo nên một lớp màng điện thế. Điều
này tạo điều kiện thuận lợi cho nước di chuyển vào trong chuỗi collagen tạo liên kết
tĩnh điện với các nhóm mang điện và tạo liên kết hydro với các nhóm không mang
điện [28][48].
c. Ảnh hưởng bởi enzyme
Quá trình khử trùng hợp các đại phân tử tropocollagen có thể xảy ra nhờ các
enzyme bẻ gãy các liên kết ở khu vực không tạo xoắn. Cụ thể: pepsin hoặc trypsin
tấn công vào khu vực giàu tyrosine và các acid amin có tính acid và không có

hydroxyproline. Các enzyme xúc tác thủy phân peptid như pepsin và chymotrypsin
không có khả năng phá vỡ cấu trúc xoắn ốc của collagen. Tuy nhiên, chymotrypsin
và enzyme lysozyme có thể chuyển đổi chuỗi β và γ thành chuỗi α bằng cách thủy
phân các liên kết peptid giữa glycine – isoleucine hoặc giữa serine và valine của
chuỗi α1 ở đầu -NH2 [44].
Ngoài ra, enzyme collagenase thủy phân phân tử collagen có nguồn gốc tự
nhiên ở điểm khoảng 3/4 chiều dài từ đầu -NH 2. Tuy nhiên, có quan điểm cho rằng
vị trí phân cắt chính xác trên các chuỗi xoắn ba collagen bởi enzyme collagenase ở
các sản phẩm collagen biến tính là không rõ ràng [52].

1.1.1.4. Các liên kết ngang trong collagen
Các liên kết ngang chính trong tropocollagen và giữa các tropocollagen với
nhau thường được tạo thành do sự khử amin hóa của lysine với lysine để tạo thành
lysine aldehyde được thể hiện minh họa ở Hình 1.4 như sau:

9


Hình 1.4. Tương tác tạo liên kết ngang của collagen [44]
Ngoài ra phần hai đầu của chuỗi có thể tạo liên kết với các acid amin của
chuỗi xoắn như hydroxylysine (Hyl), glycine (Gly), histidine (His), arginine (Arg)
được minh họa như sau:

Hình 1.5. Phản ứng giữa phức có liên kết aldimine với histidine hình thành liên
kết ngang histidino-hydroxylysinonorleucine [44]
10


Hình 1.6. Phản ứng giữa phức có liên kết keto- amine với hydroxylysine
aldehyde, lysine aldehyde hình thành liên kết ngang [44]

1.1.2. Quá trình chuyển từ collagen thành gelatin
0

Khi gia nhiệt collagen trong môi trường nước đến 50 C, cấu trúc các sợi
collagen co lại, collagen bị mất một phần nước và biến tính làm lộ ra một số các
tương tác kỵ nước và bị keo tụ. Sự hấp thụ nước càng giảm khi nhiệt độ càng tăng.
0

Khi tăng nhiệt độ đến 60 C, lực liên kết để duy trì cấu trúc có trật tự của collagen bị
suy yếu nhất, cấu trúc xoắn ba của collagen được thủy phân ở những vị trí có liên
kết cộng hóa trị, các liên kết giữa các phân tử đã bị đứt. Lúc này collagen bị biến
tính hoàn toàn, các nhóm bên của các acid amin ẩn ở bên trong trước đây được lộ ra
bên ngoài. Khi bị biến tính bởi nhiệt trong môi trường nước, chuỗi xoắn ba của
collagen bị tháo xoắn và giải phóng ra các polypeptid đơn tức gelatin được hình
thành [44].
Theo lý thuyết của Hofmeister, quá trình chuyển collagen thành gelatin được
minh họa bằng phương trình [11]:

11


C102H149O38N31 + H2O  C102H151O39N31
Collagen

Gelatin

Bên cạnh đó, khi phản ứng xảy ra ở nhiệt độ cao và thời gian quá dài, ngoài quá
trình chuyển collagen thành gelatin thì gelatin tạo thành cũng bị tác động bởi nhiệt độ
dẫn đến sự tạo thành các sản phẩm không mong muốn như gelatose và gelatone [11]:

C102H151O39N31 + 2H2O  C55H85O22N17 + C47H70O19 + 7N2
Gelatin

Gelatose

Gelatone

1.1.3. Tổng quan về gelatin
Cách đây 8000 năm gelatin đã được sử dụng ở các hang động của dân cư
vùng Trung Đông như là một chất keo sinh học được sản xuất từ mô của động vật.
Sau đó 3000 năm, người Ai Cập cổ đại đã nhận biết được chức năng của gelatin và
sử dụng chúng như một loại keo dán gỗ. Ngày nay, gelatin đã được sản xuất ở quy
mô công nghiệp với những ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau [98].

1.1.3.1. Phân loại gelatin
a. Phân loại dựa theo phương pháp xử lý nguyên liệu
Trong sản xuất gelatin, nguyên tắc xử lý nguyên liệu là phân cắt một phần
các liên kết ngang trong cấu trúc của collagen để có thể tan trong nước nóng và loại
bỏ các hợp chất phi collagen có trong nguyên liệu. Các phương pháp xử lý thông
thường sử dụng acid loãng hoặc kiềm loãng. Khi nguyên liệu được xử lý bằng dung
dịch acid, gelatin thu được là gelatin loại A. Với phương pháp này, các acid amin
như: acid glutamic, acid aspartic không đổi so với nguyên liệu ban đầu. Điểm đẳng
điện của gelatin loại A khoảng 8÷9. Khi nguyên liệu được xử lý bằng dung dịch
kiềm, gelatin được gọi là gelatin loại B. Với phương pháp này, các acid amin như
asparagine, glutamine chuyển đổi thành acid glutamic và acid aspartic. Điểm đằng
điện của gelatin loại B khoảng 4÷5,5 [48].
Đối với mỗi phương pháp xử lý nguyên liệu khác nhau, thành phần acid amin
của gelatin cũng khác nhau.

12


Bảng 1.2. Thành phần acid amin trung bình của gelatin (‰) [98]
STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

Acid amin

Gelatin

Gelatin

STT

Acid amin

Gelatin Gelatin

A

B
A
B
Alanine
112
117
12 Isoleucine
10
11
Arginine
49
48
13 Leucine
24
24,3
Asparagine
16
0
14 Lysine
27
28
Acid aspartic
29
46
15 Methionine
3,6
3,9
Cysteine
16 Phenylalanine
14

14
Acid glutamic
48
72
17 Proline
132
124
Glutamine
25
0
18 Serine
35
33
Glycine
330
335
19 Threonine
18
18
Histidine
4
4,2
20 Tryptophan
Hydroxyproline
91
93
21 Tyrosine
2,6
1,2
Hydroxylysine

6,4
4,3
22 Valine
26
22
Ngoài ra, khi xử lý nguyên liệu trong sản xuất gelatin còn dùng enzyme,

muối hoặc kết hợp giữa kiềm và acid.
b. Phân loại theo nguồn gốc nguyên liệu
Dựa vào nguồn gốc nguyên liệu để sản xuất, gelatin được chia thành 2 loại:
- Gelatin động vật có vú: Gelatin được sản xuất từ da, gân, xương,... động vật
như: heo, bò,...
- Gelatin cá: Gelatin được sản xuất từ da, vảy, xương,... của cá.
c. Phân loại theo hình dạng
Dựa vào hình dạng, gelatin được chia thành 3 dạng: gelatin dạng hạt, dạng tấm và dạng sợi.

A

B

C

Hình 1.7. Các dạng gelatin, A: dạng hạt; B: dạng tấm; C: dạng sợi [98][131]

13


1.1.3.2. Tính chất của gelatin
a. Tính chất vật lý
Gelatin có màu vàng nhạt, trắng ngà hoặc hổ phách, màu gelatin phụ thuộc

vào đặc tính nguyên liệu, phương pháp xử lý nguyên liệu, phương pháp sấy,..
Gelatin bền trong không khí khô nhưng trong không khí ẩm hoặc trong dung dịch
dễ bị vi sinh vật làm hỏng. Gelatin không tan trong nước lạnh, etanol, ete. Khi ngâm
trong nước lạnh gelatin trương nở, mềm đồng thời hút nước với khối lượng gấp
5÷10 lần so với gelatin ban đầu. Gelatin tan trong nước ấm, trong acid acetic nhưng
khi nguội thì đông lại [60].
b. Tính chất chức năng
* Khả năng tạo gel
Sự tạo gel, tạo kết cấu của gelatin liên quan rất nhiều đến cấu trúc, kích
thước phân tử và nhiệt độ môi trường.
Khi cho gelatin vào nước, gelatin tồn tại ở 2 dạng: dạng gel hoặc dạng dung
dịch keo. Ở nhiệt độ lạnh, gelatin từ dạng dung dịch keo chuyển thành gel và khi ở
nhiệt độ nóng chuyển từ dạng gel thành dạng dung dịch keo. Về mặt lý thuyết, sự
chuyển đổi này không có giới hạn vì vậy tính chất chức năng này của gelatin được
xem là rất quan trọng. Những sản phẩm có tính keo như alginate, carrageenan,
pectin cũng tạo gel nhưng sự chuyển đổi trạng thái không được hoàn toàn như
gelatin [48].
Khả năng tạo gel là tính chất rất quan trọng để đánh giá chất lượng của
gelatin và được đánh giá thông qua độ bền gel (độ Bloom). Độ Bloom được đặt theo
tên của nhà khoa học người Mỹ, Oscar T. Bloom, người đã sáng chế ra một thiết bị
kiểm ra độ bền của keo, gelatin và những chất tương tự, được cấp bằng sáng chế
vào ngày 09 tháng 6 năm 1925, số 1540979. Theo định nghĩa, độ Bloom là khối
lượng tính bằng gam cần thiết để một piston có đường kính 12,7 mm nén lên bề mặt
gel gelatin cho đến khi đâm xuyên đến độ sâu 4 mm. Gel gelatin được chuẩn bị ở
0

nồng độ 6,67%, được giữ ở 10 C trong thời gian 17 giờ trước khi đo [98].
Độ Bloom của gelatin nằm trong khoảng 50÷300 gam tùy theo từng loại

14