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

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

TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

iii


DANH MỤC CHỮ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Abs

Độ hấp thụ

AC

Acid caffeic

AT

Acid tannic

CS.

Cộng sự

DNĐD

Da cá Ngừ Đại Dương

DTRA

Da cá Tra


Gelatin từ da cá Ngừ Đại Dương

GNĐDS

Gelatin từ da cá Ngừ Đại Dương có sóng siêu âm hỗ trợ

GNĐDT

Gelatin từ da cá Ngừ Đại Dương xử lý bằng than hoạt tính

GTRA

Gelatin từ da cá Tra

GTRAS

Gelatin từ da cá Tra có sóng siêu âm hỗ trợ

GTRAT

Gelatin từ da cá Tra xử lý bằng than hoạt tính

HPLC

Sắc ký lỏng hiệu năng cao

LOD

Limit of detection: giới hạn định tính


Ánh sáng tử ngoại – khả kiến

iv


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu

Tên bảng

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


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

Kết quả xác định hàm lượng vôi và thời gian xử lý da cá thích
3.3.

hợp để thu được gelatin có độ bền gel cao nhất cùng với độ nhớt

59

và hiệu suất thu hồi
3.4.

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

61

So sánh kết quả xác định điều kiện tốt nhất để thu được gelatin từ
3.5.

da cá khô và da cá lạnh đông bằng ba phương pháp acid, kiềm,



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

v

91


Số hiệu

Tên bảng

bảng

109

110

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


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

Phản ứng giữa phức có liên kết keto- amine với
1.6.

hydroxylysine aldehyde, lysine aldehyde hình thành liên kết


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.



Tên hình

hình

Trang

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

3.6.

3.7.

3.8.

3.9.

3.10.

3.11.
3.12.
3.13.

3.14.

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

86

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.

3.18.

3.19.
3.20.

Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến sự thay đổi độ nhớt và
độ bền gel gelatin
Ảnh hưởng hàm lượng transglutaminase, acid caffeic, acid
tannic đến độ nhớt và độ bền gel gelatin
Ảnh hưởng của nồng độ gelatin đến mức độ tăng độ nhớt và
độ bền gel gelatin
Ảnh điện di các mẫu gelatin biến tính và mẫu chuẩn marker


3.23.

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

105

3.24.
3.25.
3.26.

Gelatin trước và sau khi biến tính bằng transglutaminase, acid
caffeic, acid tannic đã sấy khô
Ảnh điện di các mẫu gelatin và mẫu chuẩn marker
Ảnh vi cấu trúc gelatin trước và sau khi biến tính bằng
polyphenol

107
112
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


3.36.

3.37.

Sản phẩm anthocyanin vi bao (MCR-A) và không vi bao
(UMCR-A)
Sự thay đổi hàm lượng anthocyanin theo thời gian bảo quản
Ảnh hưởng của nồng độ gelatin, hàm lượng glycerol đến độ
dày và độ hòa tan màng phim
Ảnh hưởng của nồng độ gelatin, hàm lượng glycerol đến độ
trương phồng và độ thấm hơi màng phim
Ảnh hưởng của nồng độ gelatin, hàm lượng glycerol đến độ
bền kéo và độ giãn dài của màng phim

x

123
123
125

126

127


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.

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

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;

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]


7


Bảng 1.1. Một số loại collagen phổ biến [98]
STT
1

Loại

Cấu tạo

collagen

phân tử

I

[α1]2 α2

Đặc trưng cấu trúc
Sợi dài 300 nm

Nguồn collagen
Da, gân, xương, dây
chằng,...

2

II


α1 α2 α3

phát triển, thai nhi.

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,

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
Khi gia nhiệt collagen trong môi trường nước đến 500C, 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.
Khi tăng nhiệt độ đến 600C, 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

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]
Gelatin Gelatin
Gelatin Gelatin
STT
Acid amin
A
B
A
B
1 Alanine
112
117
12 Isoleucine
10
11
2 Arginine
49
48
13 Leucine
24
24,3
3 Asparagine

19 Threonine
18
18
9 Histidine
4
4,2
20 Tryptophan
10 Hydroxyproline
91
93
21 Tyrosine
2,6
1,2
11 Hydroxylysine
6,4
4,3
22 Valine
26
22
Ngoài ra, khi xử lý nguyên liệu trong sản xuất gelatin còn dùng enzyme,

STT

Acid amin

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,...

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
nồng độ 6,67%, được giữ ở 100C trong thời gian 17 giờ trước khi đo [98].
Độ Bloom của gelatin nằm trong khoảng 50÷300 gam tùy theo từng loại

14