1. Trang chủ >
  2. Kinh Tế - Quản Lý >
  3. Quản lý nhà nước >

TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (13.04 MB, 275 trang )


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 ln 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

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]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 Sợi kết hợp với loại I Tương tự như loại I,

α1 α2 α3



với hai đầu chuỗi cũng có ở tế bào đang

hình cầu.



5



XI



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 thơng 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 mơi 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 mơi 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 khơng mang

điện [28][48].

c. Ảnh hưởng bởi enzyme

Q 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 khơng có

hydroxyproline. Các enzyme xúc tác thủy phân peptid như pepsin và chymotrypsin

khơng 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 -NH2. 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 khơng 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]

Ngồi 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

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 hồn tồn, 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 mơi 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 q dài, ngồi q

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 mơ 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 thơng

thường sử dụng acid lỗng 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]

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

16

0

14 Lysine

27

28

4 Acid aspartic

29

46

15 Methionine

3,6

3,9

5 Cysteine

16 Phenylalanine

14

14

6 Acid glutamic

48

72

17 Proline

132

124

7 Glutamine

25

0

18 Serine

35

33

8 Glycine

330

335

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,...

- 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 khơng khí khơ nhưng trong khơng 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 đơng 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 mơi 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 khơng 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 khơng được hồn tồn 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



gelatin. Gelatin có độ Bloom cao: 200÷300 gam, độ Bloom trung bình: 100÷200

gam và độ Bloom thấp: 50÷100 gam. Gelatin với độ Bloom cao sẽ có điểm tan

chảy, điểm tạo gel cao hơn, thời gian gel hóa ngắn hơn, cường độ gel mạnh hơn và

ngược lại. Khả năng tạo gel phụ thuộc rất nhiều vào nồng độ gelatin, nhiệt độ của

gel, loại gelatin, thành phần acid amin,...

Gel gelatin được tạo thành theo cơ chế: Gelatin hấp thụ nước và trương nở.

Khi được gia nhiệt đến nhiệt độ cao hơn điểm tan chảy, gelatin sẽ tan trong nước và

hình thành mạng lưới đan xen, kết dính với nhau. Giữa các mạng lưới có các lỗ

hổng giữ nước và duy trì được tính rắn của hệ thống, chúng tạo thành gel khi làm

nguội bởi các liên kết hydro. Quá trình chuyển từ dạng dung dịch sang dạng gel của

gelatin có tính thuận nghịch. Gel của gelatin bắt đầu tan chảy ở nhiệt độ 27÷340C và

tan hồn tồn ở nhiệt độ cơ thể người (370C) nên ứng dụng rất rộng rãi trong chế

biến thực phẩm [60].

* Khả năng tạo nhớt

Độ nhớt là đại lượng đặc trưng cho lực cản nội tại của một chất lỏng để

chống lại sự chảy. Độ nhớt của dung dịch gelatin bị ảnh hưởng bởi nồng độ, nhiệt

độ, trọng lượng phân tử của gelatin, pH, các chất phụ gia,... Độ nhớt của gelatin

tăng khi tăng nồng độ và giảm nhiệt độ. Ở pH đẳng điện, độ nhớt ở mức thấp nhất

và đạt cực đại ở pH gần 3 hoặc 10,5.



Hình 1.8. Độ nhớt gelatin phụ thuộc nhiệt độ và hàm lượng gelatin [98]

15



Khi nhiệt độ dưới 200C dung dịch sẽ tồn tại ở dạng gel (ngoại trừ nồng độ

quá thấp), trong khoảng nhiệt độ từ 20÷350C thì dung dịch vừa tồn tại ở dạng gel

vừa tồn tại ở dạng nhớt hoặc ở dạng chất lỏng có độ nhớt khơng ổn định. Trên 350C

các phân tử gelatin trở nên rời rạc, cho dù tăng nồng độ gelatin trong dung dịch thì

chúng cũng khơng liên kết với nhau.

c. Đặc tính bề mặt

Tính chất bề mặt của gelatin có được là do các acid amin ưa nước hay kỵ

nước của chúng tạo nên. Cả 2 phần ưa nước và kỵ nước đều có xu hướng di chuyển

về phía bề mặt do đó làm giảm sức căng bề mặt của nước. Đồng thời gelatin cũng

có tính năng bảo vệ và ổn định bọt, nhũ tương [98].

d. Điểm đẳng điện

Điểm đẳng điện của hệ phân tán được định nghĩa là giá trị pH của môi

trường mà tại đó các hạt phân tán khơng chuyển động trong điện trường. Tại pH này

dung dịch gelatin kém bền nhất, dễ kết tủa, các phân tử khơng tích điện.

Điểm đẳng điện có ảnh hưởng đến tính chất hoạt động bề mặt của gelatin. Ở

môi trường pH tương ứng với điểm đẳng điện gelatin trung hòa về điện. Nếu pH cao

hơn điểm đẳng điện thì gelatin tích điện âm và ngược lại, pH thấp hơn điểm đẳng

điện gelatin tích điện dương [73]. Sự phân bố điện tích của gelatin phụ thuộc vào

pH được thể hiện ở Hình 1.9.

pH



3



5



7



9



11



Gelatin loại A



Gelatin loại B



Hình 1.9. Mơ hình phân bố điện tích của gelatin loại A và B trong dung dịch [98]



16



Xem Thêm
Tải bản đầy đủ (.pdf) (275 trang)

×