ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
BK
TP.HCM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA CÔNG NGHỆ
SẢN XUẤT GELATIN TỪ DA CÁ TRA
SVTH : VŨ LÊ HOÀNG VÂN
CBHD : TS. TRẦN BÍCH LAM
G
G
I
I
Á
Á
O
OV
V
I
I
Ê
Ê
N
NH
H
Ư
Ư
Ớ
Ớ
N
N
G
G
Trong suốt thời gian học tập trên giảng đường đại học, tôi đã nhận được nhiều sự
hướng dẫn của thầy cô, sự quan tâm giúp đỡ của gia đình và bạn bè. Giờ đây, tôi xin gửi lời
cảm ơn chân thành và sâu sắc đến những người đã luôn động viên tôi hoàn tất chương trình
học cũng như đã luôn ở cạnh tôi trong những tháng năm đầu tiên bước vào đời.
Cảm ơn cô Trần Bích Lam đã nhiệt tình hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi nhất
cho em hoàn thành luận văn này.
Xin cảm ơn tập thể quý thầy cô Khoa Kỹ thuật Hóa học, đặc biệt là các thầy cô trong
bộ môn Công nghệ Thực phẩm – những người đã trực tiếp truyền đạt cho em những kiến
thức chuyên ngành cũng như những kiến thức xã hội cần thiết, giúp ích cho em trong công
việc tương lai.
Cảm ơn gia đình, vì đã luôn là chỗ dựa vững chắc về mặt vật chất cũng như tinh thần
giúp tôi vượt qua những khó khăn trong học tập và cả trong cuộc sống.
Cảm ơn những người bạn tốt đã hết lòng giúp đỡ và hỗ trợ tôi trong suốt thời gian
thực hiện luận văn.
Tháng 1/2008, Tp. Hồ Chí Minh
Sinh viên thực hiện
Vũ Lê Hoàng vân
ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Đề tài “ Nghiên cứu tối ưu hóa công nghệ sản xuất gelatin từ da cá Tra” đã được thực
hiện trong 3 tháng với các nội dung sau:
- Tổng quan tài liệu về nguồn nguyên liệu, phương pháp sản xuất, tính chất và
ứng dụng của gelatin.
- Tiến hành thử nghiệm so sánh công nghệ sản xuất gelatin theo 3 phương pháp
xử lý là phương pháp kiềm – acid, phương pháp acid, phương pháp enzyme –
1.2. Collagen 5
1.2.1. Cấu tạo 6
1.2.2. Tính chất 8
1.3. Gelatin 9
1.3.1. Lịch sử phát triển 9
1.3.2. Định nghĩa 10
1.3.3. Cấu tạo 11
1.3.4. Phân loại 15
1.3.5. Tính chất 19
1.3.6. Phương pháp sản xuất 26
1.3.7. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của gelatin 36
1.3.8. Một số phương pháp cải tiến chất lượng của gelatin 38
1.3.9. Ứng dụng 38
CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 43
2.1. Nguyên vật liệu nghiên cứu 43
iv
2.1.1. Da cá 43
2.1.2. Hóa chất sử dụng 44
2.1.3. Thiết bị sử dụng 44
2.2. Phương pháp nghiên cứu 45
2.2.1. Mục đích nghiên cứu 45
2.2.2. Sơ đồ nghiên cứu 45
2.2.3. Thuyết minh sơ đồ nghiên cứu 46
2.3. Các phương pháp phân tích 51
2.3.1. Phương pháp xác định độ ẩm 51
2.3.2. Phương pháp xác định hàm lượng tro tổng 52
2.3.3. Phương pháp xác định hàm lượng lipid trong mẫu rắn 52
2.3.4. Phương pháp xác định hàm lượng lipid trong mẫu lỏng 53
2.3.5. Phương pháp xác định hàm lượng nitơ tổng và protein tổng 53 vi
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 : Khối lượng các phần khác nhau của cá Tra 4
Bảng 1.2: Thành phần chuỗi α của hai loại collagen dùng sản xuất gelatin 7
Bảng 1.3: Sự phân bố acid amin của 3 chuỗi α trong collagen loại I và loại III 7
Bảng 1.4: Thành phần acid amin thu được khi thủy phân 100g mẫu gelatin 12
Bảng 1.5: Các phân đoạn phân tử chính trong gelatin 14
Bảng 1.6: Tỷ lệ các phân đoạn phân tử trong gelatin có Bloom 250g 15
Bảng 1.7: So sánh thành phần acid amin trong gelatin cá với gelatin động vật 16
Bảng 1.8: So sánh chất lượng dịch trích ly của phương pháp xử lý kiềm với enzyme 29
Bảng 1.9: Kết quả xử lý nguyên liệu bằng các loại enzyme khác nhau 29
Bảng 1.10: So sánh khả năng ứng dụng của gelatin và các phụ gia thay thế gelatin 38
Bảng 1.11: Tóm tắt chức năng của gelatin trong các sản phẩm thực phẩm 39
Bảng 1.12: Loại gelatin dùng trong thực phẩm 40
Bảng 2.1: Thiết bị, dụng cụ sử dụng trong thí nghiệm 44
Bảng 2.2: Bố trí thí nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm 49
Bảng 3.1: Thành phần hóa học của da cá Tra 61
Bảng 3.2: Kết quả so sánh hiệu suất và chất lượng giữa ba phương pháp 64
Bảng 3.3: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ lên khả năng trương nở của nguyên
liệu 66
Bảng 3.4: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian xử lý acid lên khả năng trương nở
của nguyên liệu. 67
Bảng 3.5: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ acid lên khả năng trương nở của nguyên
liệu 68
Bảng 3.1: Ma trận quy hoạch cấp 1 70
Bảng PL3.3: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ acid sử dụng đến khả năng trương nở
của nguyên liệu. 109
Bảng PL4.1: Kết quả thí nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2 110
Bảng PL5.1: Kết quả phân tích hàm lượng tro của sản phẩm 111 viii
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Liên kết ngang giữa các phân tử tropocollagen 6
Hình 1.2: Cấu tạo phân tử collagen 6
Hình 1.3: Tỷ lệ thành phần các acid amin cơ bản của gelatin 11
Hình 1.4: Cấu trúc Gly – X – Y thường gặp của gelatin 13
Hình 1.5: Cấu trúc cơ bản của gelatin 13
Hình 1.6 : Cấu trúc không gian của chuỗi xoắn ốc 14
Hình 1.7: Tỷ lệ nguyên liệu dùng để sản xuất gelatin năm 2006 17
Hình 1.8: Ảnh hưởng của nhiệt độ và nguồn nguyên liệu đến độ nhớt của dung dịch
gelatin 21
Hình 1.9: Ảnh hưởng của nhiệt độ và nồng độ đến độ nhớt của dung dịch gelatin từ da cá
cod 21
Hình 1.10: Ảnh hưởng của nồng độ đến độ bền gel của các gelatin khác nhau 24
Hình 1.11: Ảnh hưởng thời gian tạo gel đến độ bền gel của các loại gelatin 24
Hình 1.12: Ảnh hưởng của nhiệt độ tạo gel đến độ bền gel của các loại gelatin 24
Hình 1.13: Ảnh hưởng của pH đến độ bền gel của các loại gelatin khác nhau 25
Hình 1.14: Ảnh hưởng của pH đến lưu lượng dòng permeate, trở lực của màng lọc 33
Hình 1.15: Ảnh hưởng của áp suất lọc đến lưu lượng dòng permeate và tốc độ thu hồi
protein 33
Hình 1.16: Ảnh hưởng của nồng độ dịch lọc đến lưu lượng dòng permeate và tốc độ thu
hồi protein 34
CT 2.9: Công thức tính độ nhớt 55
CT 2.10: Công thức tính hàm lượng chất khô ban đầu 56
CT 2.11: Công thức tính hàm lượng chất khô sau trích ly 56
CT 2.12: Công thức tính hiệu suất trích ly 56
CT 2.13: Công thức tính hiệu suất thu hồi chất khô của quá trình sấy phun 56
CT 2.14: Công thức chuyển các đại lượng có thứ nguyên sang đại lượng không thứ
nguyên 57
CT 2.15: Công thức tính hệ số phương trình hồi quy cấp 1 57
CT 2.16: Công thức tính hệ số b
j
phương trình hồi quy trực giao cấp 2 58
CT 2.17: Công thức tính hệ số b
ji
phương trình hồi quy trực giao cấp 2 58
CT 2.18: Công thức tính hệ số b
jj
phương trình hồi quy trực giao cấp 2 58
CT 2.19: Công thức tính giá trị trung bình của các yếu tố ở tâm phương án 58
CT 2.20: Công thức tính phương sai tái hiện 58
CT 2.21: Công thức tính phương sai của hệ số b
j
58
CT 2.22: Công thức tính phương sai của hệ số b
ji
59
CT 2.23: Công thức tính phương sai của hệ số b
jj
59
CT 2.24: Công tính hệ số t của b
j
phải có nguồn nguyên liệu lớn, tuy nhiên trong những năm gần đây, bệnh bò điên, bệnh
lở mồm long móng đã làm cho mức tiêu thụ các sản phẩm từ heo và bò giảm. Ngoài ra, vì
vấn đề tôn giáo nên gelatin sản xuất từ heo và bò không được sử dụng ở các nước Ấn Độ
giáo và Hồi giáo. Để mở rộng phạm vi sử dụng và cải thiện độ an toàn cho sản phẩm
gelatin, yêu cầu tìm kiếm nguồn nguyên liệu mới để sản xuất gelatin trở nên cần thiết và
nguồn nguyên liệu mới được chú ý khai thác nhiều nhất là da cá.
Ở nước ta, ngành nuôi trồng và đánh bắt thủy hải sản đang được phát triển mạnh
mẽ cả về chất lượng và số lượng, sản lượng thủy hải sản khai thác không chỉ phục vụ nhu
cầu trong nước mà còn phục vụ cho xuất khẩu. Trong số các thủy hải sản khai thác thì cá
Tra có sản lượng khai thác lớn nhất . Năm 2006, tổng sản lượng khai thác cá Tra ở các
tỉnh Đồng Bằng Sông Cửu Long đạt 800 000 tấn và theo dự kiến của Bộ thủy sản đến
2010 tổng sản lượng khai thác của cá Tra sẽ tăng lên 1000 000 tấn. Trong chế biến công
nghiệp, cá Tra thường được chế biến dạng fillet đông lạnh, lượng phế phẩm thải ra chiếm
khoảng 60,69% cá nguyên liệu, trong đó da cá chiếm 5 – 6%. Do đó với sản lượng khai
thác và chế biến lớn, hàng năm lượng phế liệu thải ra rất lớn cung cấp một nguồn nguyên
liệu dồi dào để sản xuất gelatin. Việc sử dụng phế liệu da cá để sản xuất gelatin sẽ giúp
giải quyết được vấn đề phế thải, góp phần tránh gây ô nhiễm môi trường – một vấn đề lớn
của xã hội hiện nay - đồng thời tạo ra sản phẩm có giá trị làm tăng lợi nhuận kinh tế.
Đề tài “ Nghiên cứu tối ưu hóa công nghệ sản xuất gelatin từ da cá Tra” được thực
hiện nhằm cung cấp các thông số công nghệ tối ưu để tăng hiệu suất sản xuất gelatin và
gelatin thành phẩm có chất lượng tốt.
Trong quá trình nghiên cứu, do thời gian và kiến thức của chúng tôi còn hạn chế
nên không tránh khỏi sai sót. Chúng tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của
quý thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn.
Chương 1: Tổng quan GVHD: TS. Trần Bích Lam
3
4
Bảng 1.1 : Khối lượng các phần khác nhau của cá Tra. [6]
Thành phần (%)
Trọng lượng
cá (g)
Fillet
không da
Da Thòt bụng Mỡ lá Nội tạng Đầu, xương,
vây, đuôi
550 – 700
755 – 845
850 – 950
980 – 1060
1105 – 1310
1356 – 1647
1695 – 1925
1985 – 2450
2570 – 2980
3050 – 3650
39,5
39,3
39,0
38,9
38,7
4,1
4,4
4,9
5,1
5,2
5,1
5,2
5,4
6,0
6,1
6,2
6,2
6,6
6,7
6,7
39,3
38,8
38,3
37,4
36,8
35,3
35,1
34,6
33,6
32,5
Trung bình 38,52 4,98
10,34 3,28 6,02 36,17
1.1.2. Da cá
Da cá rất mỏng gồm 60 – 70% là nước, một ít chất vô cơ, phần còn lại chủ yếu là
• Elastin: là protein có màu vàng, các sợi elastin có tính co giãn và có thể
kéo giãn khoảng 5%, không tan trong nước, tương đối ổn đònh trong môi trường
kiềm và acid, bò phân giải bởi enzyme elastase.
• Mucin và mucoid: protein trong niêm dòch, có thể hòa tan trong dung
dòch kiềm loãng. Trong dung dòch acid loãng, mucin bò kết tủa còn mucoid thì
không. Trong nước chúng đều nở ra và hòa tan trong dung dòch muối loãng
nhưng không tan trong trong dung dòch muối bão hòa.
Các thành phần tạp khác của da cá:
• Lipid: là thành phần dễ bò oxi hóa nên ảnh hưởng không tốt đến chất
chất lượng của gelatin. Do đó cần phải rửa nhiều lần với nước để loại lipid
trước trích ly.
• Khoáng: thành phần này cũng có ảnh hưởng xấu đến chất lượng của
gelatin. Thành phần khoáng trong da cá chủ yếu là phosphate calci (Ca
3
(PO
4
)
2
)
và carbonat calci (CaCO
3
). Để loại khoáng, cần ngâm acid (thường dùng HCl)
trước trích ly.
• Sắc tố: ít tan trong nước và acid loãng, có thể tan trong dung dòch kiềm
loãng (như dung dòch KOH, NaOH…).
1.2. Collagen
Collagen là protein có nhiều trong da và xương động vật. Trong cơ thể người và
đa số các loài động vật, collagen chiếm 30% lượng protein. Collagen không có tính
đàn hồi nên có tác dụng bảo vệ cơ thể chống lại sự kéo căng. Collagen đã được
nghiên cứu và được ứng dụng trong nhiều lónh vực như: thực phẩm, y học, dược
Chương 1: Tổng quan GVHD: TS. Trần Bích Lam
7
Hình 1.3: Cấu tạo phân tử collagen [67]
Sự sắp xếp khác nhau của các chuỗi α đã hình thành nên cấu trúc xoắn bậc ba
phức tạp khác nhau của các loại collagen. Hiện nay có khoảng 27 loại collagen được
xác đònh. Mỗi loại có trật tự thống nhất về acid amin trong chuỗi polypeptide ban đầu
và đi kèm với những phân tử carbonhydrate khác nhau.
Trong các loại collagen được tìm thấy thì collagen loại I và III là nguồn nguyên
liệu phổ biến sản xuất gelatin thương mại. Trong cơ thể người và động vật có đến 90%
collagen là collagen loại I, II, III. 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%.
Bảng 1.2: Thành phần chuỗi α của hai loại collagen dùng sản xuất gelatin [43]
Loại Thành phần chuỗi phân tử Phân bố
I
III
{2[α 1(I)],[α 2(I)]}
3[α 1(III)]
Da, xương, sụn…
Da (không có trong xương)
Sự phân bố thành phần acid amin trong các chuỗi α khác nhau sẽ tạo ra gelatin
có những tính chất khác nhau.
Bảng 1.3: Sự phân bố acid amin của 3 chuỗi α trong collagen loại I và loại III [43]
Thành phần Thành phần theo tỉ lệ/1000
α1 (loạiI) α2 (loạiI) α1 (loạiIII)
3– hydroxyproline
39
Chương 1: Tổng quan GVHD: TS. Trần Bích Lam
8
Alanine
Histidine
Valine
Methionine
Isoleucine
Leucine
Arginine
Phenylalanine
Aspartic acid
Threonine
Glutamic acid
Tyrosine
115
3
21
7
6
19
50
12
42
16
73
1
102
12
+
.
Môi trường H
+
Môi trường OH
-
NH
3
+
…Cl
-
COOH
COOH NH
3
+
…Cl
-
NH
3
+
…Cl
-
làm đứt mạch peptide trong
mạch chính, phá vỡ các liên kết hydro giữa các gốc – CO…NH – của mạch xung
quanh, phân hủy acid amin trong mạch giải phóng ammoniac. Khi cấu trúc collagen bò
biến đổi thì pI của collagen hạ xuống thấp.
Tác dụng thủy phân của acid và kiềm tăng khi nhiệt độ môi trường tăng. Mức độ
thủy phân của acid và kiềm đối với collagen được đánh giá thông qua độ bền gel của
gelatin - sản phẩm thủy phân của collagen.
Do đó trong quá trình trích ly gelatin cần thiết phải khống chế nhiệt độ và thời
gian thích hợp để đảm bảo chất lượng của gelatin thành phẩm.
1.2.2.2. Phản ứng với nước
Collagen không hòa tan trong nước ở nhiệt độ thường mà chỉ hút nước để nở ra,
cứ 100g collagen khô có thể hút được khoảng 200g nước, trong đó khoảng 70g là nước
liên kết và 20g là liên kết vững chắc. Khi tác dụng với nước, độ dày của mạch sẽ tăng
lên 25% và 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 collagen làm giảm tính vững
chắc của sợi gelatin từ 3 – 4 lần. Khi nhiệt độ tăng lên cao, tính hoạt động của mạch
polypeptide tăng mạnh, làm cho mạch bò yếu và bắt đầu đứt thành những mạch
polypeptide tương đối nhỏ. Khi nhiệt độ tăng lên trong khoảng 60 – 65
0
C collagen hút
nước bò phân giải. Nhiệt độ phân giải của collagen trong nguyên liệu chưa xử lý tương
COO
-
…Na
+
NH
2
sử dụng mô liên kết và các sản phẩm của nó trong chế biến thực phẩm để tạo ra các
sản phẩm dạng gel.
Năm 1962, một người Pháp tên là Papin đã tạo ra được một hỗn hợp giống gelly
từ xương.
Năm 1700, thuật ngữ gelatin được sử dụng phổ biến. Đến năm 1754, bài báo đầu
tiên trong lónh vực chất dính được đăng tải ở Anh về việc sản xuất chất hồ dán tự
nhiên với thành phần cơ bản là gelatin và một vài chất khác của một thợ làm đồ gỗ.
Năm 1850, công nghiệp sản xuất gelatin xuất hiện ở Mỹ với nguồn nguyên liệu
chính lúc này là da chưa thuộc và xương từ heo và bò. Sau đó, nhiều nghiên cứu về
gelatin được tiến hành đã làm tăng thêm các ứng dụng và ổn đònh tính chất của
gelatin.
Năm 1930, ngành sản xuất gelatin ở Châu Âu mới bắt đầu, nhưng sau đó không
lâu Châu Âu lại trở thành khu vực sản xuất gelatin quan trọng nhất thế giới.
Năm1973, WHO đã đưa ra tiêu chuẩn nhận biết và độ tinh sạch của gelatin thực
phẩm và xem gelatin như một loại thực phẩm chứ không phải là phụ gia.
Năm 1974, công nghiệp sản xuất gelatin phát triển vô cùng lớn mạnh dẫn đến
yêu cầu thành lập “Hiệp hội gelatin của Châu Âu” (GME) để đại diện cho quyền lợi
của các nhà sản xuất cũng như người tiêu dùng gelatin.
Tuy nhiên, gelatin sản xuất từ da heo không được chấp nhận ở các nước Hồi
giáo, trong khi đó các nước Ấn Độ giáo thì gelatin sản xuất từ bò chỉ được chấp nhận
khi đã được làm theo những đòi hỏi của tôn giáo này. Ngoài ra, dòch bệnh bò điên đã
làm sự tiêu thụ thòt bò giảm do đó nguồn nguyên liệu sản xuất gelatin từ bò trở giảm đi
một cách đáng kể. Vì những lí do trên, gelatin có nguồn gốc từ động vật có vú gặp
nhiều khó khăn dù gelatin có chất lượng tốt. Trong thời kỳ này, xu hướng tìm kiếm
nguồn nguyên liệu mới để sản xuất trở nên cấp bách và nguồn nguyên liệu mới được
Chương 1: Tổng quan GVHD: TS. Trần Bích Lam
11
chú ý khai thác nhiều nhất là phế liệu cá. Đối với ngành chế biến cá, sau khi lóc fillet,
lượng phế thải chiếm 75% tổng khối lượng cá và 30% trong số đó là da và xương. Da
12
Hình 1.4: Tỉ lệ thành phần các acid amin cơ bản của gelatin [62]
Trong gelatin không chứa cholesterol và purines. Gelatin chứa nhiều glycine và
proline, hàm lượng của 2 acid amin này trong gelatin cao gấp 10 -20 lần so với các
protein khác. Hai acid amin này có vai trò quan trọng trong việc hình thành nên các tế
bào ở mô liên kết.
Gelatin là một protein không hoàn hảo (gelatin có chứa 9 trong số 10 acid amin
cần thiết cho cơ thể), gelatin có chứa nhiều acid amin không cần thiết như glycine và
proline (hai acid amin này có thể được cơ thể tổng hợp) nhưng lại thiếu các acid amin
cần thiết như tryptophan. Do đó, gelatin có giá trò dinh dưỡng thấp hơn so với protein
sữa và trứng.
Tỉ lệ giữa các acid amin trong gelatin có thể thay đổi, tỉ lệ này phụ thuộc vào
nguồng nguyên liệu và phương pháp sản xuất.
Bảng 1.4: Thành phần acid amin thu được khi thủy phân 100g mẫu gelatin.
Acid amin Khối lượng (gam)
Glycine
Alanine
Valine
Leucine
Isoleucine
Phenylalanine
Trytophane
Serine
Threonine
Tyrosine
26 – 31
0,7 – 1
6 – 7
11 – 12
0,8 – 1,2
1.3.3.2. Cấu trúc phân tử gelatin
Cấu trúc phân tử gelatin gồm có 18 amino acid khác nhau liên kết với nhau theo
một trật tự xác đònh, tuần hoàn, tạo nên chuỗi polypeptide có khoảng 1000 acid amin,
hình thành nên cấu trúc bậc 1. Các chuỗi peptide có chiều dài khác nhau phụ thuộc
nguồn nguyên liệu và phương pháp sản xuất. Mỗi chuỗi có một đầu là nhóm amino,
còn một đầu là nhóm carboxyl.
Gelatin có cấu trúc thường gặp là Gly – X – Y (với X chủ yếu là nhóm proline
còn Y chủ yếu là nhóm hydroxyproline).
Copyright: Tài liệu đại học ©