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

1.1.3. 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

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

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


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,

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


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.



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

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


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

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.

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


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


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

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;

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



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,

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


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

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]


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.


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

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