NCS Nguyễn Công Bỉnh - Luận án Tách chiết collagen từ da cá ngừ vây vàng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH NGUYỄN CÔNG BỈNH TÁCH CHIẾT VÀ TINH SẠCH COLLAGEN THỦY PHÂN TỪ DA CÁ NGỪ VÂY VÀNG (THUNNUS ALBACARES) VÀ ỨNG DỤNG TRONG THỰC PHẨM Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm Mã số: 9.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2022 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH NGUYỄN CÔNG BỈNH TÁCH CHIẾT VÀ TINH SẠCH COLLAGEN THỦY PHÂN TỪ DA CÁ NGỪ VÂY VÀNG (THUNNUS ALBACARES) VÀ ỨNG DỤNG TRONG THỰC PHẨM Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm Mã số: 9.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Cán bộ hướng dẫn: TS. NGUYỄN MINH XUÂN HỒNG TS.

NGUYỄN HOÀNG NAM KHA Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2022 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan mọi kết quả của đề tài: “Tách chiết và tinh sạch collagen thủy phân từ da cá ngừ vây vàng (Thunnus albacares) và ứng dụng trong thực phẩm” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác cho tới thời điểm này. Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 03 năm 2022 Tác giả luận văn Nguyễn Công Bỉnh iii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đề tài “Tách chiết và tinh sạch collagen thủy phân từ da cá ngừ vây vàng (Thunnus albacares) và ứng dụng trong thực phẩm”, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện của tập thể lãnh đạo, các nhà khoa học, cán bộ, giảng viên, chuyên viên Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm – Trường Đại học Nông Lâm TP.HCM; tập thể Ban Ban Giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa thủy sản - Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM; tập thể Ban Giám hiệu, Phòng Sau Đại học, cán bộ các phòng, ban chức năng Trường Đại học Nông Lâm TP. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Minh Xuân Hồng và TS. Nguyễn Hoàng Nam Kha đã trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo cho tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn cán bộ Trung tâm thí nghiệm thực hành Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM đã giúp đỡ tôi trong quá trình triển khai và thực hiện luận án này.

Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp của tôi đang công tác tại Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM và gia đình đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án này. Nghiên cứu sinh Nguyễn Công Bỉnh iv TÓM TẮT Tên luận án: Tách chiết và tinh sạch collagen thủy phân từ da cá ngừ vây vàng (Thunnus albacares) và ứng dụng trong thực phẩm Tác giả: NCS Nguyễn Công Bỉnh Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm.01 Trong những năm gần đây, da cá – một phụ phẩm của ngành công nghiệp chế biến cá phi lê – đã trở thành một nguồn nguyên liệu đầy tiềm năng để sản xuất collagen, đặc biệt là collagen thủy phân nhằm ứng dụng trong thực phẩm, mỹ phẩm và dược phẩm nhờ có nhiều hoạt tính chức năng. Do đó, đề tài này nghiên cứu quy trình tách chiết và tinh sạch collagen thủy phân từ da cá ngừ vây vàng (Thunnus albacares) nhằm ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm. Quy trình bắt đầu từ công đoạn làm giàu collagen trong da cá, sau đó thủy phân collagen bằng enzyme và cuối cùng là tinh sạch và phân đoạn collagen thủy phân.

Việc làm giàu collagen trong da cá được thực hiện thông qua quá trình loại bỏ các thành phần không phải collagen, chủ yếu là lipid, chất màu và các protein khác. Trong nghiên cứu này, các điều kiện xử lý kiềm để loại bỏ phi collagen được tối ưu hóa bằng phương pháp bề mặt đáp ứng. Kết quả nghiên cứu đã xác định nồng độ dung dịch NaOH, tỷ lệ dung dịch NaOH/da cá và thời gian xử lý lần lượt là 0,93 N; 5/1 (v/w) và 28 giờ. Trong điều kiện đó thì tỷ lệ collagen tăng từ 69,68% lên 85,58%, chất béo giảm từ 11,07% xuống còn 5,6% (theo cơ sở khô), và phần lớn chất màu trên da cá đã bị loại bỏ.

Tỷ lệ hydroxyproline/protein trong collagen thu được cao nhất là 9,86%. Hệ số chuyển đổi giữa hydroxyproline và collagen của cá ngừ vây vàng (k) là 9,3. Ba loại enzyme khác nhau (pepsin, flavourzyme và alcalase) đã được nghiên cứu để khảo sát khả năng thủy phân collagen của da cá ngừ vây vàng. Kết quả cho thấy enzyme alcalase có khả năng thủy phân collagen tốt nhất với độ thủy phân là 23,92% và hiệu suất thu hồi nitơ là 92,56%.

Tiếp theo, phương pháp bề mặt đáp ứng cũng được sử dụng để tối ưu hóa các điều kiện thủy phân của enzyme alcalase với hàm mục tiêu là độ thủy phân và hiệu suất thu hồi nitơ. Kết quả cho thấy quá trình v thủy phân tối ưu ở 54,7 C và pH 8 với nồng độ alcalase 0,034 AU/g trong 5,2 giờ. Độ thủy phân và hiệu suất thu hồi nitơ trong điều kiện tối ưu lần lượt là 24,51% và 96,35%. Dịch collagen sau khi thủy phân được đem đi phân đoạn bằng sắc ký lọc gel và khảo sát các hoạt tính chức năng của các phân đoạn này.

Qua đó, đề tài đã tách được 3 phân đoạn collagen thủy phân F1, F2 và F3 với khối lượng phân tử lần lượt là < 416 Da, 416 Da – 1 kDa và 1 kDa – 5 kDa. Khả năng hòa tan của 3 phân đoạn F1, F2 và F3 đều lớn hơn 97%. Khả năng tạo bọt và tạo nhũ và chống đông của phân đoạn F3 là lớn nhất nhưng khả năng chống oxy hóa thì thấp hơn F1 và F2. Để tinh sạch và phân đoạn collagen thủy phân với khối lượng lớn nhằm ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm, màng siêu lọc UFP-1-C-6 (NMWC=1 kDa) đã được nghiên cứu thử nghiệm.

Kết quả nghiên cứu cho thấy điều kiện lọc màng tốt nhất ở nhiệt độ 25 °C, pH 6,5 và áp suất 12 psi với thông lượng qua màng lớn nhất (3,4 l/m2.h), hiệu suất thu hồi nitơ (80,81%), và độ phân riêng (27,45%). Sản phẩm sau khi siêu lọc được tách thành hai phân đoạn SP1 (<3 kDa) và SP2 (3-5 kDa) với tỉ lệ lần lượt là 10 % và 90 %. Cả hai phân đoạn collagen thủy phân đều có khả năng hòa tan tốt ở pH < 8,0, trong đó phân đoạn SP1 hòa tan tốt hơn SP2. Khi pH cao hơn 8,0, cả hai phân đoạn gần như hòa tan hoàn toàn.

Ngoài ra, khả năng nhũ hóa, tạo bọt và chống đông của phân đoạn SP2 tốt hơn SP1. Tuy nhiên, phân đoạn SP1 có hoạt tính chống oxy hóa cao hơn. Hai phân đoạn SP1 và SP2 đã được ứng dụng thử nghiệm vào sản xuất thực phầm. SP1 đã được bổ sung vào sản phẩm nước uống chanh dây và SP2 được bổ sung vào sản phẩm sữa chua với tỷ lệ lần lượt là 0,1% và 0,05% với chất lượng cảm quan được đánh giá là tốt.

Như vậy, các phân đoạn peptide từ collagen thủy phân vừa có hoạt tính chức năng cao, vừa đáp ứng được nhu cầu thị hiếu của người tiêu dùng, chứng tỏ được tiềm năng ứng dụng trong ngành công nghệ thực phẩm. Từ khóa: collagen thủy phân, da cá, Thunnus albacares, tách chiết, thủy phân, phân đoạn vi ABSTRACT PhD. Thesis: Extraction and purification of collagen hydrolysate from yellowfin tuna skin (Thunnus albacares) and applications in food Author: Binh Cong Nguyen Major: Food Technology CODE: 9.01 Fish skin, a by-products of fish fillet processing industry, has recently become a potential source for the production of collagen, especially hydrolysed collagen to apply in food, cosmetics and pharmaceuticals due to its extraordinary functional activities. Therefore, this thesis investigated the extraction and purification of hydrolyzed collagen from yellowfin tuna skin (Thunnus albacares) to apply in food industry.

The process started from the collagen enrichment in fish skin, then collagen hydrolysis with enzymes and finally purification and fractionation of collagen hydrolysates. The collagen enrichment in fish skin was performed through the removal of non-collagen components such as lipid, pigment, and other proteins. In this study, the alkaline treatment conditions for non-collagen removal were optimized by the response surface method. The results showed that the optimum sodium hydroxide concentration, ratio of solution to fish skin and treatment time were 0.93 N, 5/1 (v/w) and 28 hours, respectively.

Under such conditions, the percentage of collagen increased from 69.58%, fat decreased from 11.6% (dry basis) and most of the colorants were removed. The ratio of hydroxyproline/protein in the obtained collagen was 9. The conversion factor between hydroxyproline and collagen of yellowfin tuna (k) was 9. Three different enzymes (pepsin, flavourzyme, and alcalase) have been investigated their hydrolysis ability of collagen from yellowfin tuna skin.

The results showed that the alcalase enzyme had the highest hydrolysis ability with 23.92% degree of hydrolysis (DH) and 92.56% nitrogen recovery efficiency (NR). Next, the response surface method was also used to optimize the hydrolysis conditions of alcalase enzyme. The results showed that the optimum hydrolysis parameters were at vii 54.7 C and pH 8 with 0.034 AU/g alcalase concentration for 5. The predicted DH and NR under optimal conditions were validated and confirmed as 24.

Hydrolyzed collagen solution was fractionated by gel filtration chromatography and examinated the functional activities of these fractions. Thereby, the research had separated 3 fractions of hydrolyzed collagen, F1, F2, and F3, with molecular weights of < 416 Da, 416 Da – 1 kDa, and 1 kDa-5 kDa, respectively. The solubility of 3 fractions F1, F2, and F3 were all greater than 97%. The foaming and emulsifying and anticoagulant properties of the F3 fraction were the highest, but its antioxidant capacity is lower than F1 and F2.

In order to purify and fractionate of hydrolyzed collagen in large volumes for application in food industry, the UFP-1-C-6 ultrafiltration membrane (NMWC = 1k Da) has been examined. The results showed that the best membrane filtration conditions were at 25°C, pH 6.5, and pressure 12 psi to obtain the highest throughput of the membrane (3.h), recovery nitrogen efficiency (80.81%), and degree of separation (27. The products after ultrafiltration were separated into two fractions, SP1 (< 3 kDa), and SP2 (3-5 kDa), with the volume of 10% and 90%, respectively. Both hydrolyzed collagen fractions had excellent solubility at pH below 8.0, where the SP1 fraction dissolved better than SP2.

At pH higher than 8.0, both fractions were almost completely dissolved. In addition, the emulsifying, foaming, and antifreezing abilities of the SP2 fraction was better than the SP1. However, the SP1 fraction was more resistant to oxidation with higher antioxidant activity. The SP1 and SP2 fractions have been applied to food processing.

SP1 and SP2 were added to the passion fruit drink product and the yogurt product with 0. Both products had high sensory quality. Therefore, the obtained collagen peptides not only have high functional properties, but also meet the sensory requirements, proving their potential application in food technology.