Tài liệu đề tài sản xuất gelatine và ứng dụng

Sản xuất gelatin và ứng dụng GVHD: Ths. Nguyễn Thị Hiền MỤC LỤC 1. TỔNG QUAN:..............................................................................................................................2 1.1. Collagen: 1.1.1. Cấu tạo:..........................................................................................................................2 1.1.2. Tính chất collagen:........................................................................................................4 1.2. Gelatine: 2. 2 6 1.2.1. Lịch sử phát triển của ngành sản xuất gelatine:.........................................................6 1.2.2. Định nghĩa gelatine:......................................................................................................7 1.2.3. Cấu tạo gelatine:...........................................................................................................7 1.2.4. Phân loại gelatine:.......................................................................................................11 1.2.5. Tính chất của gelatine:................................................................................................15 1.2.6. Khả năng tạo màng của gelatine với các phụ gia khác:............................................19 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GELLATIN TỪ DA CÁ TRA:.............................20 2.1. Quy trình: 20 2.2. Thuyết minh quy trình: 20 2.2.1. Tiền xử lý nguyên liệu thô:.........................................................................................20 2.2.2. Quá trình trích ly.........................................................................................................21 2.2.3. Quá trình tinh sạch.....................................................................................................21 2.2.4. Quá trình cô đặc..........................................................................................................21 2.2.5. Quá trình sấy...............................................................................................................22 3. SẢN PHẨM.................................................................................................................................22 4. ỨNG DỤNG................................................................................................................................23 4.1. Công nghệ thực phẩm 24 4.2. Công nghệ dược phẩm 50 57 4.3. Gelatin trong lĩnh vực nhiếp ảnh 4.4. Các lĩnh vực khác 57 58 4.5. Gelatin trong các ứng dụng khác 4.6. Khả năng đưa gelatin da cá vào trong các ứng dụng công nghiệp 59 4.7. Gelatin và các chất cạnh tranh trong các ứng dụng 61 5. HƯỚNG PHÁT TRIỂN.............................................................................................................67 1 Sản xuất gelatin và ứng dụng GVHD: Ths. Nguyễn Thị Hiền 1. TỔNG QUAN: 1.1. 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 lĩnh vực như: thực phẩm, y học, dược phẩm, keo dán, phim ảnh… 1.1.1. Cấu tạo: - Phân tử collagen có cấu tạo xoắn ốc bậc ba với sự lặp lại của chuỗi (Gly – X – Y). Trong đó, X là proline còn Y là hydroxyproline. - Cấu tạo của collagen rất khác biệt với bất cứ protein nào được biết tới, nét nổi bật nhất là trong thành phần collagen có chứa một lượng lớn glycine 33%, proline và hydroxyproline 22%, một lượng nhỏ hydroxylysine 1% (Eastoe, 1967). - Đơn vị cơ bản của collagen là tropocollagen, gồm 3 chuỗi  liên kết nhau tạo thành những sợi nhỏ. Mỗi phân tử tropocollagen dài 300 nm, dày 1,5 nm và có khối lượng phân tử 300 000 dalton. - Các phân tử tropocollagen sẽ liên kết ngang với nhau bằng liên kết cộng hóa trị. Nhờ các liên kết ngang này, các phân tử tropocollagen hình thành nên sợi collagen. Các sợi collagen rất dài và mảnh, chúng sắp xếp tạo ra mạng collagen. Hình 1.1 Liên kết ngang giữa các phân tử tropocollagen 2 Sản xuất gelatin và ứng dụng GVHD: Ths. Nguyễn Thị Hiền Hình 1.2 Cấu tạo phân tử collagen - - Sự sắp xếp khác nhau của các chuỗi  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 định. Mỗi loại có trật tự thống nhất về acid amin trong chuỗi polypeptide ban đầu và đi kèm với những phân tử carbohydrate 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 1.1 Thành phần chuỗi  của 2 loại collagen dùng sản xuất geltine. Loại Thành phần chuỗi phân tử Phân bố I {2[ 1(I)],[ 2(I)]} Da, xương, sụn… III 3[ 1(III)] Da (không có trong xương) - Sự phân bố thành phần acid amin trong các chuỗi  khác nhau sẽ tạo ra gelatin có những tính chất khác nhau. Bảng 1.2 Sự phân bố acid amin của 3 chuỗi  trong chuỗi collagen loại I và loại III. 3 Sản xuất gelatin và ứng dụng GVHD: Ths. Nguyễn Thị Hiền Thành phần 3– hydroxyproline 4– hydroxyproline Proline Lysine Hydroxylysine Glycine Cysteine Serine Alanine Histidine Valine Methionine Isoleucine Leucine Arginine Phenylalanine Aspartic acid Threonine Glutamic acid Thành phần theo tỷ lệ/1000 1 (loạiI) 2 (loạiI) 1 (loạiIII) 1 2 0 108 93 125 124 113 107 26 18 30 9 12 5 333 338 350 0 0 2 34 30 39 115 102 96 3 12 6 21 35 14 7 5 8 6 14 13 19 30 22 50 50 46 12 12 8 42 44 42 16 19 13 73 68 71 1 4 3 Tyrosine 1.1.2. Tính chất collagen: - Phản ứng với acid và kiềm:  Trên mạch collagen có các gốc amin và carboxyl nên collagen có tính chất lưỡng tính, có thể tác dụng với acid lẫn kiềm.  Trong môi trường acid, các ion của acid sẽ tác dụng với các 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+. 4 Sản xuất gelatin và ứng dụng - GVHD: Ths. Nguyễn Thị Hiền  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.  Dưới tác dụng của các acid và kiềm đủ mạnh sẽ làm cho collagen bị biến đổi, đây là một biến đổi quan trọng trong quá trình chuyển hóa collagen thành gelatin. Khi đó acid và kiềm sẽ cắt đứt các liên kết giữa – NH3+...COO- 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 bị 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. 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 bị yếu và bắt đầu đứt thành những mạch polypeptide tương đối nhỏ. Khi nhiệt độ tăng lên trong khoảng 60 – 650C 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 sẽ giảm xuống. 1.2. Gelatine: 1.2.1. Lịch sử phát triển của ngành sản xuất gelatine: - Thuật ngữ gelatin có nguồn gốc từ Latin là từ “gelatus”, nghĩa là màng hay chất làm đông. Theo các nghiên cứu cho thấy, từ hơn 2000 năm 5 Sản xuất gelatin và ứng dụng - - - - - - - GVHD: Ths. Nguyễn Thị Hiền trước đây con người đã biết 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 jelly từ xương. Năm 1700, thuật ngữ gelatin được sử dụng phổ biến. Đến năm 1754, bài báo đầu tiên trong lĩnh 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 định 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, dịch bệnh bò điên đã làm sự tiêu thụ thịt 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 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 và xương cá có chứa nhiều collagen, có thể đem sản xuất gelatin, từ đó giải quyết được vấn đề phế thải và đồng thời tạo ra sản phẩm có giá trị. Trong những năm gần đây đã có nhiều tài liệu nghiên cứu về gelatin da cá và so sánh gelatin da cá với gelatin từ nguồn nguyên liệu truyền thống. Tuy nhiên, các nghiên cứu trên chỉ là các nghiên cứu ban đầu trong quá trình trích ly gelatin từ các loại khác nhau cũng như những ứng dụng của chúng trong thực phẩm. 6 Sản xuất gelatin và ứng dụng GVHD: Ths. Nguyễn Thị Hiền 1.2.2. Định nghĩa gelatine: Hiện nay có nhiều định nghĩa khác nhau về gelatin. - Năm 1967, Ramachandran định nghĩa gelatin là một polypeptide có khối lượng phân tử lớn có nguồn gốc từ collagen - một thành phần protein chính của mô liên kết -có nhiều trong xương, da và nội tạng. - Năm 1987, Rose định nghĩa gelatin là từ để chỉ những hợp chất protein có nguồn gốc từ collagen. - Năm 1998, Bailey và Paul định nghĩa gelatin về căn bản là protein tinh sạch dùng trong thực phẩm được thu nhận từ collagen đã bị thoái hóa do nhiệt, có cấu trúc như protein động vật. - Năm 1990, tổ chức Y khoa của Mỹ (USP – United States Pharmacopeia) định nghĩa gelatin là một sản phẩm của quá trình phân giải collagen có nguồn gốc từ da, xương của động vật. 1.2.3. Cấu tạo gelatine: - Thành phần hóa học:  Thành phần hóa học cơ bản của gelatin bao gồm: 85 – 90% protein, 0,5 – 2% muối khoáng, 8 – 13% nước.  Gelatin có chứa gần đầy đủ các acid amin, ngoại trừ tryptophan và cysteine, cystine đôi khi chỉ tìm thấy ở dạng vết. Hình 1.3 Tỷ lệ thành phần các acid amin cơ bản của gelatine  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.  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 7 Sản xuất gelatin và ứng dụng GVHD: Ths. Nguyễn Thị Hiền tryptophan. Do đó, gelatin có giá trị dinh dưỡng thấp hơn so với protein sữa và trứng.  Tỷ lệ giữa các acid amin trong gelatin có thể thay đổi, tỷ lệ này phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu và phương pháp sản xuất. Bảng 1.3 Thành phầần acid amin thu được khi thủy phần 100g mầẫu gelatn - Acid amin Khối lượng (gam) Glycine 26 – 31 Alanine 8 – 11 Valinet 2,6 – 3,4 Leucine 3,0 – 3,5 Isoleucine 1,4 – 2 Phenylalanine 2–3 Trytophane - Serine 2,9 – 4,2 Threonine 2,2 – 4,4 Tyrosine 0,2 – 1 Proline 15 – 18 Hydroxyproline 13 – 15 Methionine 0,7 – 1 Cysteine - Cystine vết Lysine 4–5 Arginine 8–9 Histidine 0,7 – 1 Acid aspartic 6–7 Acid glutamic 11 – 12 Hydroxylysine 0,8 – 1,2 Cấu trúc phân tử gelatine:  Cấu trúc phân tử gelatin gồm có 18 amino acid khác nhau liên kết với nhau theo một trật tự xác định, 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 8 Sản xuất gelatin và ứng dụng GVHD: Ths. Nguyễn Thị Hiền 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). Hình 1.4 Cấu trúc Gly – X – Y thường gặp của gelatin  Gelatin chứa nhiều nhóm glycine, proline và 4-hydroxyproline. Cấu trúc cơ bản của chuỗi gelatin là: – Ala – Gly – Pro – Arg – Gly – Glu – Hyp – Gly – Pro. Hình 1.5 Cấu trúc cơ bản của gelatin  Cứ 3 chuỗi polypeptide xoắn lại theo hình xoắn ốc tạo nên cấu trúc bậc 2. Ở cấu trúc bậc 3, chuỗi xoắn đó tự xoắn quanh nó, tạo nên cấu trúc phân tử dạng dây thừng, gọi là proto fibril. 9 Sản xuất gelatin và ứng dụng GVHD: Ths. Nguyễn Thị Hiền Hình 1.6 Cấu trúc không gian của chuỗi xoắn ốc - Sự phân bố khối lượng phân tử của gelatine :  Sự phân bố khối lượng có thể được xác định bằng phép lọc sắc kí gel, điện di gel polyacrylamide và sắc ký lỏng cao áp.  Tùy thuộc vào từng loại nguyên liệu và phương pháp xử lý nguyên liệu và phương pháp trích ly mà gelatin thành phẩm sẽ chứa các phân đoạn phân tử có khối lượng khác nhau.  Việc xác định những phân đoạn này sẽ giúp hiểu rõ hơn về độ bền của gel, độ nhớt cũng như việc đảm bảo chất lượng gelatin được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau. Phân đoạn  ,  và các phần có khối lượng phân tử lớn hơn sẽ góp phần nâng cao độ nhớt, độ bền của gel. Do đó gelatin có độ bền gel cao thường chứa một tỷ lệ lớn các phân tử có kích thước giống nhau dưới dạng các chuỗi và (khoảng 30 – 50%). Bảng 1.4 Các phân đoạn phân tử chính trong gelatin. Phân đoạn phân tử Đặc điểm Q Khối lượng phân tử rất lớn 15 – 20x106 dalton, dạng nhánh có khả năng tạo gel rất tốt 1–4 Các chuỗi oligomer của chuỗi ( thường 5 – 8 chuỗi) X Oligomer của 4 chuỗi 285 000 dalton (3 chuỗi ) 190 000 dalton (2 chuỗi ) 95 000 dalton A –peptid 86 000 dalton -, -, - peptide 10 – 80 000 dalton 10 Sản xuất gelatin và ứng dụng GVHD: Ths. Nguyễn Thị Hiền Bảng 1.5 Tỷ lệ các phần đoạn phần tử trong gelatn có Bloom 250g [41] Nguồn gốc Độ nhớt < A (mp) Tỷ lệ giữa các phân đoạn A peptidễ peptidễ -X 1–4 Q 1 65 20 9 28 5 11 4 12 6 5 2 57 28 4 30 6 13 3 8 4 3 3 55 35 4 10 12 11 6 11 7 4 Chú thích: 1 : Ossein được xử lý kiềm 2 : Da sống được xử lý kiềm 3 : Da heo được xử lý acid 1.2.4. Phân loại gelatine: Gelatin có thể được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau với nhiều phương pháp sản xuất khác nhau. Do đó, khóa phân loại gelatin rất đa dạng, trong đó có 2 khóa phân loại cơ bản. - Phân loại gelatine theo nguyên liệu sản xuất: Gelatin là sản phẩm từ collagen bị thoái hóa do nhiệt. Do đó các nguyên liệu có chứa collagen với hàm lượng lớn đều có thể sử dụng để sản xuất gelatin. Trong thực tế, gelatin thường được sản xuất từ 2 nguồn nguyên liệu là động vật có vú và cá. Dựa vào nguồn gốc nguyên liệu gelatin được chia thành 2 loại:  Gelatin có nguồn gốc từ động vật có vú ( bò, heo)  Đây là nguồn nguyên liệu đầu tiên để sản xuất gelatin và là nguồn nguyên liệu được sử dụng nhiều nhất để sản xuất gelatin. Trong thời gian gần đây, bệnh dịch bò điên đã làm giảm lượng nguyên liệu này để sản xuất gelatin.  Gelatin sản xuất từ collagen của xương và da của động vật có vú được đánh giá là có chất lượng tốt nhất so với gelatin có nguồn gốc khác.  Gelatin có nguồn gốc từ cá.  Do những vấn đề về tôn giáo và bệnh bò điên mà gelatin có nguồn gốc từ động vật bị hạn chế sử dụng. Trong những năm gần đây, công nghiệp chế biến cá rất phát triển và phế liệu cá trở thành một nguồn nguyên liệu tiềm năng để sản xuất gelatin. 11 Sản xuất gelatin và ứng dụng GVHD: Ths. Nguyễn Thị Hiền  Gelatin sản xuất từ cá có chất lượng không ổn định. Chất lượng gelatin có phụ thuộc rất nhiều vào nguồn nguyên liệu mà các loại cá khác nhau thì có sự khác nhau rất lớn về thành phần acid amin.  So với gelatin từ động vật có vú thì gelatin từ cá có chất lượng thấp hơn do cấu tạo da cá có chứa ít imino acid đặc biệt là hydroxyproline và proline hơn da và xương của động vật có vú. Ngoài ra, gelatin từ cá có màu đậm hơn so với gelatin từ động vật có vú và gelatin từ cá có mùi tanh khó chịu. Do những điểm yếu trên mà hiện nay ứng dụng gelatin từ cá còn thấp. Bảng 1.6 So sánh thành phần acid amin trong gelatin cá với gelatin động vật. Acid amin Tỷ lệ /1000 acid amin Gelatin cá Gelatin động vật có vú Ala 112 114 Arg 49 51 Asp 48 45 Cys - - Glu 72 71 Gly 347 313 His 11 5 Hyl 5 11 Hyp 60 86 Ile 11 11 Leu 21 25 Lys 28 34 Met 13 6 Phe 13 13 Pro 96 135 Ser 63 37 Thr 24 18 Try - 12 Sản xuất gelatin và ứng dụng GVHD: Ths. Nguyễn Thị Hiền Tyr 9 3 Val 18 22 Hình 1.7 Tỷ lệ nguyên liệu dùng để sản xuất gelatin năm 2006 Với : Da heo :144300 tấn Da bò : 89500 tấn Xương : 76300 tấn Loại khác : 4900 tấn - Phân loại gelatine theo phương pháp sản xuất: dựa vào phương pháp xử lý collagen trong sản xuất gelatin người ta chia gelatin thành 2 loại chính.  Gelatin loại A.  Gelatin loại A thu được khi quá trình xử lý nguyên liệu dùng acid.  Gelatin sản xuất bằng phương pháp này sẽ có các phân đoạn phân tử có khối lượng thấp hơn gelatin loại B do đó sẽ có độ nhớt thấp hơn và độ bền gel thấp hơn khi ở cùng một điều kiện tạo gel.  Nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất gelatin này là da heo, xương.  Gelatin loại B.  Gelatin thu được khi quá trình xử lý nguyên liệu dùng kiềm.  Nguồn nguyên liệu để sản xuất gelatin loại B là da sống, xương. - Một số loại gelatine khác:  Gelatin tan trong nước lạnh.  Các loại gelatin thông thường được sản xuất bằng cách tạo gel sau đó đem sấy nên gelatin thành phẩm ở dạng hạt thô có cấu trúc gel chặt chẽ. Khi muốn hòa tan tạo dung dịch gelatin ta phải gia nhiệt để tạo điều kiện cho nước xâm nhập vào hạt gel vì khi gia nhiệt các liên kết trong hạt gelatin sẽ yếu đi và nước sẽ dễ dàng xâm nhập vào hạt gelatin.  Để bỏ qua giai đoạn gia nhiệt giúp việc hòa tan gelatin nhanh và dễ dàng, người ta đã tạo ra gelatin có khả năng tan trong nước lạnh.  Đây là loại gelatin được tạo ra khi sấy mà không qua quá trình tạo gel, do đó mà sản phẩm có cấu trúc vô định hình. Cấu trúc này cho phép gelatin trương nở rất nhanh và rất mạnh trong nước lạnh. Mạng phân tử ba chiều của nó liên kết lỏng lẻo, sự sắp xếp của các phân tử là hoàn toàn ngẫu nhiên, lực liên kết giữa các phân tử cũng như lực liên kết nội phân tử rất yếu nên nước có thể dễ dàng xâm nhập vào cấu trúc phân tử với một lượng lớn nhất có thể và tạo thành cấu trúc tương tự gel. 13 Sản xuất gelatin và ứng dụng GVHD: Ths. Nguyễn Thị Hiền  Loại gelatin này hút ẩm mạnh, trong quá trình hòa tan gelatin rất dễ bị vón cục, khó tạo gel khi nồng độ thấp và cấu trúc khối gel không chắc bằng gel tạo thành như cách thông thường.  Gelatin loại này thường được dùng để làm chất ổn định trong một số thực phẩm như bánh gatô, các món tráng miệng.  Gelatin thủy phân.  Gelatin loại này được tạo ra do quá trình phân giải collagen sâu sắc. Gelatin thành phẩm có khối lượng phân tử thấp khoảng 3000 – 20000, có khả năng hòa tan trong nước lạnh và không có khả năng tạo gel. Dung dịch gelatin có độ nhớt thấp 20 – 50 mPas ở nồng độ 35% tại 250C. Gelatin loại này thường được sản xuất bằng cách sử dụng enzym thực hiện quá trình thủy phân, sau đó tiệt trùng, cô đặc và cuối cùng là sấy phun.  Điểm đặc biệt của gelatin loại này là không có vị đắng như các sản phẩm thủy phân từ các protein khác. Do đó, gelatin thủy phân được sử dụng cho nhiều sản phẩm thực phẩm như chất tạo cấu trúc cho các sản phẩm sữa, chất tạo nhũ trong công nghệ chế biến các sản phẩm từ thịt, là nguồn protein trong thực phẩm ăn kiêng, chất làm trong cho một số loại thức uống, là chất mang trong quá trình tạo hạt mà không làm biến đổi các tính chất vật lí, hóa học của hạt, chất tạo bọt…  Gelatin ester hóa.  Gelatin được ester hoá bởi các acid béo, điều này giúp cải thiện khả năng tạo nhũ của gelatin đồng thời làm tăng khả năng ứng dụng của các acid béo mà bản thân một mình acid béo đó không thể bổ sung trực tiếp vào thực phẩm do không tan được trong nước, dễ bị oxy hóa… 1.2.5. Tính chất của gelatine: - Tính chất vật lý:  Gelatin là chất rắn dạng miếng, vảy, bột hoặc hạt, không mùi, không vị, trong suốt, có màu từ trắng đến vàng nhạt, chứa 9 -12% ẩm và có tỉ trọng riêng từ 1,3-1,4.  Tuy thành phần acid amin trong gelatin và trong collagen rất giống nhau nhưng gelatin và collagen lại có các tính chất rất khác nhau. Trong nước nóng (< 500C), gelatin sẽ hút nước, trương nở và tan tạo dung dịch nhớt, còn collagen chỉ bị co rút lại. Lượng nước gelatin hấp thụ có thể cao gấp 5 – 10 lần khối lượng của gelatin ban đầu. Trong dung dịch acid và kiềm, collagen trương nở nhưng không hòa tan, còn gelatin thì hòa tan rất nhanh. 14 Sản xuất gelatin và ứng dụng - GVHD: Ths. Nguyễn Thị Hiền  Gelatin có khả năng tan trong các polyol như glycerin, propylen glycol, sorbitol, manitol nhưng không tan trong cồn, aceton, CCl4, benzen, ether và các dung môi hữu cơ khác.  Khi tan trong nước nóng, dung dịch là một hỗn hợp của gelatin và gelatose. Tỷ lệ giữa gelatin và gelatose ảnh hưởng đến chất lượng của keo, gelatose càng nhiều thì chất lượng càng thấp.  Gelatin sẽ bị kết tủa ở nồng độ cao khi trong dung dịch có sự hiện diện của các muối phosphat, citrat, sulfat ở nồng độ thấp. Tính chất hóa lý:  Độ nhớt  Độ nhớt là một trong những tính chất quan trọng để đánh giá chất lượng của gelatin thành phẩm.  Độ nhớt của gelatin thương mại thường 2 – 7cP, tối đa 3cP.  Các dung dịch gelatin giống hệt nhau về khả năng tạo gel, thì độ nhớt của gelatin loại B thường cao hơn 30 – 50% độ nhớt của gelatin loại A. *Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt của gelatin:  Nguồn nguyên liệu: độ nhớt của dung dịch gelatin phụ thuộc rất nhiều vào sự phân bố khối lượng phân tử và thành phần acid amin trong gelatin đó. Trong đó, sự phân bố khối lượng phân tử có ảnh hưởng đến độ nhớt nhiều nhất. Các nguồn nguyên liệu khác nhau sẽ cung cấp các loại collagen khác nhau, trong quá trình phân giải sẽ tạo ra các dung dịch gelatin có sự phân bố khối lượng phân tử khác nhau và thành phần acid amin khác nhau.  Nồng độ dung dịch: Độ nhớt của dung dịch gelatin tăng tỉ lệ thuận với sự tăng nồng độ gelatin. Khi nồng độ của dung dịch gelatin tăng thì tương tác thủy động học giữa các phân tử gelatin tăng làm cho tốc độ chảy của dung dịch giảm do đó độ nhớt của dung dịch tăng.  Dung môi: dung môi có ảnh hưởng lớn đến các phân tử gelatin khi dung dịch có nồng độ thấp, ảnh hưởng này giảm khi nồng độ dung dịch tăng lên.  pH dung dịch: độ nhớt dịch trích đạt giá trị thấp nhất khi pH = 6 – 8, pH có ảnh hưởng lớn nhất đến độ nhớt khi pH = 3 hoặc pH = 10,5 và có ảnh hưởng ít nhất đến độ nhớt khi ở điểm đẳng điện [13]. Tại pI, dung dịch có nồng độ càng cao thì độ nhớt càng tăng mạnh.  Nhiệt độ: Dung dịch có nhiệt độ càng cao thì độ nhớt dung dịch càng thấp. Trên 400C thì độ nhớt sẽ giảm tỉ lệ mũ với độ tăng nhiệt độ. 15 Sản xuất gelatin và ứng dụng GVHD: Ths. Nguyễn Thị Hiền  Điểm đẳng điện:  Gelatin có thể hoạt động như một acid hoặc một kiềm tùy thuộc vào pH. Trong dung dịch acid gelatin tích điện dương và trong dung dịch kiềm nó tích điện âm. Điểm trung gian ở đó sự tích điện bằng 0 gọi là pI hoặc điểm đẳng điện.  Sự thay đổi trong tỷ lệ của các nhóm carboxyl, amin có liên quan đến sự khác nhau về điểm đẳng điện của gelatin. Ở collagen, 35% nhóm acid nằm ở dạng amid. Do đó, collagen là một protein cơ bản có điểm đẳng điện là 9,4. Trong suốt quá trình điều chế gelatin, quá trình xử lý bằng acid hoặc kiềm sẽ thủy phân nhóm amid trong phạm vi lớn hoặc nhỏ hơn. Do đó, điểm đẳng điện của gelatin có thể thay đổi từ 9,4 (không thay đổi nhóm amid) đến 4,8 (90 – 95% các nhóm acid carboxylic tự do). Điểm đẳng điện có ảnh hưởng đến độ nhớt và độ bền gel từ đó ảnh hưởng đến khả năng ứng dụng của gelatin. *Các yếu tố ảnh hưởng đến điểm đẳng điện: điểm đẳng điện của dung dịch gelatin chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như nguồn nguyên liệu, phương pháp sản xuất…  Nguồn nguyên liệu: Gelatin sản xuất từ các nguồn nguyên liệu khác nhau sẽ có thành phần acid amin khác nhau do đó dịch trích sẽ có pI khác nhau (gelatin có nguồn gốc từ ossein thì pI nằm trong khoảng 6,5 – 7,5 còn gelatin từ da heo thì pI nằm trong khoảng 7,5 – 9,0).  Phương pháp sản xuất: Gelatin được điều chế bằng phương pháp acid có điểm đẳng điện cao 6,5 – 9 vì điều kiện thao tác công nghệ duy trì được giá trị gần với điểm đẳng điện của collagen. Gelatin được điều chế bằng phương pháp kiềm qua quá trình xử lý bằng kiềm dài hơn, cắt đứt hầu hết các liên kết và chỉ có một phần nhỏ các nhóm amin còn lại nên gelatin này có pH đẳng điện acid và thường nằm trong khoảng 4,8 – 5,2.  Khả năng tạo gel:  Khả năng tạo gel là một trong những tính chất chức năng quan trọng nhất của gelatin, là một trong những yếu tố quan trọng để đánh giá chất lượng gelatin và quyết định khả năng ứng dụng của gelatin. Độ bền của khối gel được đặc trưng bởi độ Bloom. Theo định nghĩa, độ Bloom là khối lượng tính bằng gam cần thiết tác dụng lên bề mặt gel tạo bởi pittông có đường kính 13 mm để khối gel lún xuống 4mm. Khối gel có hàm lượng gelatin là 6,67%, được tạo gel ở 100C trong 16  18h. 16 Sản xuất gelatin và ứng dụng GVHD: Ths. Nguyễn Thị Hiền  Gelatin trên thị trường có độ Bloom trong khoảng 150  300 Bloom. Gelatin có chất lượng thấp sẽ có độ Bloom <150, gelatin có chất lượng trung bình thì Bloom từ 150 – 220, còn gelatin có chất lượng cao sẽ có Bloom từ 220 – 300. * Cơ chế tạo gel: gồm 2 giai đoạn:  Giai đoạn 1: hấp thụ và trương nở trong nước để tạo dung dịch, giai đoạn xảy ra khi gelatin được cho vào nước và gia nhiệt ở 45 – 600C.  Giai đoạn 2: tạo liên kết ngang nối các phân tử gelatin lại với nhau thành không gian 3 chiều, giai đoạn này xảy ra khi dung dịch gelatin được làm nguội ở 8 – 100C. Quá trình chuyển đổi giữa dạng dung dịch và dạng gel có tính thuận nghịch. Trong quá trình tạo gel, imino acid của các chuỗi polypeptid tạo một hình thể xoắn ốc khi làm nguội và các vòng xoắn này được ổn định nhờ các cầu hydro giữa các nhóm hydroxyl của acid amin và phân tử nước, tạo gel ba chiều. Một đặc điểm quan trọng của gel gelatin là có khả năng tan chảy ở nhiệt độ cơ thể tạo nên cảm giác tan trong miệng. Đây là một tính chất đặc biệt của gelatin so với các chất có khả năng tạo gel khác và tính chất giúp gelatin được ứng dụng trong nhiều quá trình chế biến thực phẩm. * Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tạo gel và độ bền gel  Nhiệt độ tạo gel: Nhiệt độ càng cao thì khả năng khuếch tán của nước càng mạnh. Ở nhiệt độ < 200C, dù hàm lượng gelatin rất thấp vẫn có khả năng tạo gel. Ở nhiệt độ trong khoảng 20  300C, dung dịch gelatin vừa tồn tại dạng gel, vừa dạng dịch nhớt, vừa dịch lỏng, phụ thuộc nhiệt độ và hàm lượng gelatin. Ở nhiệt độ > 35 0C, phân tử gelatin rời rạc, dù hàm lượng gelatin cao chúng vẫn không liên kết với nhau, không tạo gel bền mà chỉ tăng độ nhớt. Nhiệt độ tạo gel càng thấp thì gel có độ bền gel càng lớn.  Thời gian tạo gel: Thời gian tạo gel còn được gọi là thời gian trưởng thành. Thời gian tạo gel càng dài thì các liên kết ngang hình thành càng nhiều và càng ổn định nên độ bền gel sẽ càng lớn.  Nồng độ dung dịch tạo gel: Trong dung dịch gelatin, nồng độ gelatin càng cao thì gel tạo thành có độ bền gel càng lớn.  pH dung dịch tạo gel: Gelatin có giá trị pH càng gần điểm đẳng điện thì khả năng khuếch tán nước vào càng cao. Tại điểm đẳng điện thì khả năng khuếch tán nước là cao nhất, gelatin trương nở nhanh nhất và khối gel tạo thành có độ bền gel cao nhất. Nguyên nhân là do ở pI, 17 Sản xuất gelatin và ứng dụng GVHD: Ths. Nguyễn Thị Hiền các protein trung hòa về điện, các mạch gelatin sẽ dễ tiến lại gần nhau tạo liên kết với nhau.  Các thành phần khác trong dung dịch tạo gel: Trong các sản phẩm thực phẩm, gelatin thường được dùng phối hợp với các hợp chất khác để làm thay đổi khả năng tạo gel và độ bền gel của khối gel tạo thnh theo yu cầu của sản phẩm Trong dung dịch đường, khi nồng độ đường trong hỗn hợp đường – gelatin <30% thì hỗn hợp cĩ khả năng tạo gel yếu và khi nồng độ đường trong hỗn hợp tăng lên >30% thì hỗn hợp cĩ tính chất của một chất lỏng. Trong dung dịch có pectin thì gel tạo thnh mềm v ít dai hơn. Trong dung dịch có agar thì gelatin tạo gel tốt hơn vì agar đóng vai trị l chất hỗ trợ, chất nền cho quy trình hịa tan gelatin. Nhưng khi nồng độ gelatin quá cao (cao hơn 2,5%) thì vai trò này bị đảo ngược lại. Khối gel tạo thành từ hỗn hợp agar – gelatin cứng và bền hơn so với gel tạo thành từ gelatin nhưng lại mềm hơn gel tạo từ agar. 1.2.6. Khả năng tạo màng của gelatine với các phụ gia khác: Ngoài khả năng tạo gel, khả năng tạo màng cũng là tính chất giúp gelatin được ứng dụng rộng rãi trong công thực phẩm và dược phẩm. Gelatin thường được dùng chung với các chất tạo màng khác để hỗ trợ các đặc tính của nhau và hạ giá thành sản phẩm. - - - Hỗn hợp tinh bột – gelatin: Trong hỗn hợp này gelatin có tác dụng cải thiện tính chất của màng và làm màng có tính chất như màng plastic. Nồng độ gelatin trong hỗn hợp càng cao thì càng làm tăng khả năng kéo giãn của màng. Tuy nhiên, tại pH của hỗn hợp bằng pI của gelatin thì không xảy ra phản ứng giữa gelatin và tinh bột, màng sẽ có tính kéo giãn kém. Khi pH hỗn hợp càng xa pI của gelatin thì liên kết giữa tinh bột và gelatin được hình thành làm cho khả năng kéo giãn của màng tăng lên. Hỗn hợp chitosan – gelatin: Trong hỗn hợp gelatin có tác dụng làm tăng hiệu quả tạo màng của chitosan trong điều kiện pH thấp và nhiệt độ cao. Màng tạo ra từ hỗn hợp này có khả năng tan trong nước ngay ở nhiệt độ thường. Hỗn hợp gellan – gelatin: Gel gellan có đặc tính cứng và giòn phụ thuộc chủ yếu vào pH và nồng độ, còn gel gelatin lại mềm, đàn hồi và phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ. Đặc tính cơ học của màng gellan/gelatin phụ thuộc vào tỉ lệ gellan : gelatin. Khi cho gellan vào dung dịch gelatin sẽ làm tăng khả năng liên kết mạng với nhau. Hàm lượng gelatin trong hỗn hợp tăng sẽ làm khả năng tan trong nước, tỉ lệ căng phồng và độ bền kéo của màng giảm nhưng sẽ làm cho độ giãn do kéo tăng. 18 Sản xuất gelatin và ứng dụng GVHD: Ths. Nguyễn Thị Hiền 2. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GELLATIN TỪ DA CÁ TRA: 2.1. Quy trình: Hiện nay có hai quy trình khác nhau được sử dụng để sản xuất gelatin theo quy mô công nghiệp, hai quy trình này khác nhau về phương thức sử dụng để phân tách mối liên kết collagen. Quy trình được sử dụng sẽ ảnh hưởng đến những đặc tính chính của sản phẩm gelatin thu được. Nhìn chung quá trình sản xuất gelatin sẽ bao gồm các bước cơ bản sau: 2.2. Thuyết minh quy trình: 2.2.1. Tiền xử lý nguyên liệu thô: 19 Sản xuất gelatin và ứng dụng GVHD: Ths. Nguyễn Thị Hiền Quá trình tiền xử lý sẽ giúp chuyển đổi collagen thành dạng thích hợp cho quá trình trích ly. Quá trình này giúp tạo hiệu quả cho việc bẻ gãy các liên kết ngang cộng hoá trị của collagen để giải phóng ra những chuỗi alpha tự do, đồng thời giúp loại bỏ các thành phần hữu cơ khác như máu, đường, chất nhầy…. có trong nguyên liệu. Hiệu quả của quá trình xử lý collagen liên quan đến tỷ lệ liên kết ngang có trong nguyên liệu. Quá trình xử lý bằng acid ít có tác động đến các liên kết trong collagen hơn so với dùng phương pháp kiềm nên thường được dùng cho da heo hay osseincác loại collagen còn trẻ, chưa trưởng thành. Dựa vào phương pháp tiền xử lý này mà người ta phân loại gelatin thành 2 loại: gelatin loại A (dùng phương pháp acid), gelatin loại B (dùng phương pháp kiềm) - Quá trình xử lý bằng acid: Heo thường được giết mổ ở độ tuổi tương đối trẻ (khác với nhiều loại gia súc khác) do đó ở da heo mức độ liên kết ngang chưa cao và da heo được xem là nguyên liệu thích hợp nhất để áp dụng phương pháp xử lý bằng acid. Acid sulfuric và acid clohydric thường được dùng, ngoài ra còn kết hợp với acid photphoric nhằm làm chậm quá trình tạo màu. Ưu điểm của phương pháp acid là thời gian xử lý nhanh. Tiến hành: nguyên liệu sau khi xử lý sạch được đem ngâm vào dung dịch acid nồng độ không quá 5%. Giá trị pH nằm trong khoảng 3,5  4,5, nhiệt độ tối thích là 15 oC. Quá trình xử lý bằng acid sẽ ngừng lại khi nguyên liệu đã được acid hoá hoàn toàn hay trương nở tối đa. Sau đó lượng acid dư được tháo bỏ và nguyên liệu được đem rửa bằng nước lạnh. Ossein cũng có thể được sử dụng theo phương pháp này nhưng ít phổ biến. - Quá trình xử lý bằng kiềm. Quá trình xử lí bằng kiềm thường được dùng cho da bò, ossein. Nguyên liệu được ngâm trong dung dịch kiềm trong vài tuần ở nhiệt độ môi trường. Vôi là tác nhân phổ biến nhất, khá yếu, không làm tổn thất nguyên liệu vì quá trình thuỷ phân quá mạnh. Tuy nhiên, phản ứng xảy ra chậm, kéo dài đến 8 tuần hay hơn mới kết thúc. Hỗn hợp gồm 3% vôi với lượng ít CaCl 2 hay NaOH sẽ cho kết quả tốt hơn. Nếu dùng NaOH thì quá trình xử lí sẽ kéo dài khoảng 10  14 ngày. Quá trình này giúp làm phá vỡ các liên kết ngang trong collagen và hình thành nên collagen tan được trong nước, đồng thời loại bỏ tạp chất giúp quá trình trích ly được thuận lợi hơn. 2.2.2. Quá trình trích ly. Dùng nước ấm trích ly nhằm rửa sạch các chất hoá học đã dùng trong quá trình tiền xử lý và tiếp tục làm đứt hẳn các liên kết trong nguyên liệu, hình thành các phân tử gelatin. 20