Luận án tiến sĩ chế biến thực phẩm và đồ uống nghiên cứu phương pháp thu nhận co

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HO CHI MINH TRUONG DAI HOC BACH KHOA LE THI THU HUONG NGHIEN CUU PHUONG PHAP THU NHAN COLLAGEN TU DA CA TRA (PANGASIUS HYPOPHTHALMUS) LUẬN AN TIEN SĨ KY THUAT TP. HO CHI MINH NAM 2018 ĐẠI HỌC QUOC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LE THỊ THU HƯƠNG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP THU NHẬN COLLAGEN TỪ DA CA TRA (PANGASIUS HYPOPHTHALMUS) Chuyên ngành: Chế biến Thực phẩm va Đồ uống Mã số chuyên ngành: 62540201 Phản biện độc lập 1: PGS.

Quản Lê Ha Phản biện độc lập 2: PGS. Đặng Minh Nhật Phản biện 1: GS. Nguyễn Minh Tuyến Phản biện 2: GS. Lê Văn Việt Mẫn Phản biện 3: TS.

Lê Thị Minh Thủy NGƯỜI HƯỚNG DÂN KHOA HỌC 1. Phan Đình Tuan 2. Nguyễn Hoang Dũng li LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án nảy là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất ky hình thức nào.

Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Lê Thị Thu Hương ili TÓM TAT LUẬN AN 1. Tính cấp thiết của luận án Collagen là một loại protein chủ yếu của chất nền ngoại bao và mô liên kết [1], [2]. Collagen chiếm 30 % tong lượng protein của co thể, đóng vai trò then chốt trong thành phan cấu tạo của các mô liên kết như da, gân, xương, dây chang,.Collagen là một loại vật liệu sinh học được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất mỹ phẩm.

thực phẩm và dược phẩm [3]. Trước đây, collagen được tỉnh chế từ các nguồn nguyên liệu da và xương của trâu, bò, lợn. Từ năm 2000 đến nay, do sự bùng nô của bệnh bò điên, bệnh lở mồm long móng ở lợn và gia súc; thêm vào đó, vì lý do tôn giáo một số đạo cấm sử dụng sản phẩm CÓ nguồn gốc từ bò, lợn nên đa số các nghiên cứu tách chiết collagen tập trung vào nguồn nguyên liệu thay thế có nguồn gốc từ thủy sản. Việt Nam là một trong những quốc gia xuất khẩu thủy sản lớn của thế giới, chủ yếu là mặt hàng phi lê cá tra, cá ba sa.

Lượng phụ phẩm của hai loại cá này thải ra hàng năm lên tới hàng trăm ngàn tan. Tại thời điểm hiện tai, phụ phẩm cá tra, cá ba sa chủ yếu được chế biến thành thức ăn gia súc và phân bón có giá trị kinh tế thấp. Trong khi đó, da cá tra chứa một lượng collagen khá lớn, đây là sản phẩm có gia tri cao, được ưa chuộng trên thị trường thé giới, có rất nhiều ứng dung trong công nghiệp thực phẩm, mỹ phâm, dược phâm và vật liệu sinh học. Nghiên cứu phương pháp thu nhận collagen từ da cá tra nhăm đa dạng hóa các sản phẩm có nguồn gốc từ thủy san, nâng cao giá trị kinh tế của loài cá tra, cá ba sa, từ đó nâng cao thu nhập cho người nuôi trông và chê biên thủy sản là rât cân thiết.

Mục tiêu của luận án Đề tài “Nghiên cứu phương pháp thu nhận collagen từ da cá tra (Pangasius hypophthalmus)” được thực hiện với mục tiêu: (1) Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ tách chiết collagen và xác định các giải pháp kỹ thuật để nâng cao hiệu suất thu nhận collagen; IV (2) Nghiên cứu các yếu tô ảnh hưởng và động học quá trình trích ly collagen nham lựa chọn các thông số công nghệ thích hợp và thông qua mô hình hóa vẻ động học trích ly để dự đoán được hàm lượng collagen theo thời gian trích ly, tăng khả năng chủ động điều khién quá trình trích ly. (3) Xác định một số đặc tính hóa lý của collagen tách chiết từ da cá tra. Nội dung nghiên cứu - Xác định thông số kỹ thuật của ba công đoạn chính trong quy trình công nghệ tách chiết collagen: tách tạp chất, trích ly và tinh sạch collagen. - Tối ưu hóa quá trình trích ly collagen bằng phương pháp bé mặt đáp ứng (Response Surface Mothodology) sử dụng phần mềm Design Expert 10: Thiết kế thí nghiệm theo phương án quay bậc hai tâm xoay Box — Hunter; đánh giá tính ý nghĩa của các hệ số hồi quy theo chuẩn Student; đánh giá tinh phù hợp của phương trình hồi quy theo chuẩn Fisher; Tối ưu hóa giá trị các yếu tổ ảnh hưởng đến hiệu suất trích ly collagen bằng phương pháp bề mặt đáp ứng; Kiểm tra sự tương thích giữa thực nghiệm và mô hình dự đoán.

- Nghiên cứu động học và cơ chế của quá trình trích ly collagen: với các thông số ảnh hưởng và vùng khảo sát đã xác định được qua nghiên cứu tối ưu hóa ở trên, tiến hành khảo sát sự thay đối hàm lượng collagen trích ly theo thời gian và theo sự thay d6i ham lượng của các thông số ảnh hưởng. Kết quả thực nghiệm thu được dùng để kiểm chứng, đánh giá sự tương thích của ba mô hình với thực nghiệm để chọn mô hình phù hợp mô tả đúng nhất động học quá trình trích ly collagen. - Nghiên cứu đặc tính hóa lý của collagen da cá tra như: thành phan amino acid, cấu tạo phân tử, nhiệt độ biến tính. Đồng thời kiểm tra một số chỉ tiêu kim loại nặng va vi sinh vật trong collagen thành phẩm.

Những đóng góp mới của luận án * Vé mặt học thuật (1) Đã xây dựng được mô hình toán hoc mô tả quy luật ảnh hưởng của nồng độ acetic acid, hàm lượng enzyme pepsin và tỷ số dung môi / da cá đến hiệu suất trích ly collagen; (2) Xác định được quá trình trích ly collagen từ da cá tra tuân theo quy luật động hoc bậc hai; (3) Xác định được bản chất của collagen tách chiết từ da cá tra và các đặc tính của nó. * Vé mặt thực tiễn (1) Đưa ra giải pháp kỹ thuật hiệu qua dé làm sạch da cá tra trước khi trích ly bang cách sử dụng LASNa để loại lipid và H2O2 để khử mau da cá với các thông số kỹ thuật cụ thể. (2) Xây dựng được phương trình hồi quy mô tả quan hệ giữa hiệu suất trích ly collagen với các yêu tô ảnh hưởng: nồng độ acetic acid, hàm lượng enzyme pepsin và tỷ số dung mô1/da cá, từ đó xác định được các giá tri tôi ưu. (3) Xác định được điều kiện tốt nhất dé loại muối ra khỏi collagen bằng phương pháp thâm tích với hiệu suất tách muối cao nhất đạt 95,75%.

(4) Xác định được điều kiện tốt nhất dé loại lipid ra khỏi collagen thành phẩm băng kỹ thuật trích ly lipid bằng dung môi CO; siêu tới hạn. (5) Đánh giá các đặc tính chất lượng của collagen thành phẩm cho thấy sản phẩm phù hợp dé dùng làm vật liệu sinh học hoặc sử dụng trong nuôi cấy tế bào. vi ABSTRACT Fish skin is the byproduct of fishery companies in the Mekong River Delta. Basa fish (Pangasius hypophthalmus) skin contains large amounts of collagen, highly valuable protein in the food, cosmetics and pharmaceutical industries.

The aims of this thesis "Research on methods of extraction collagen from tra fish (Pangasius hypophthalmus) skin" were as follows: (1) Research on extraction process of collagen from tra fish (Pangasius hypophthalmus) skin; (2) Optimisation and kinetics studies on the extraction of collagen from tra fish skin; (3) Studies on the characterizations of collagen from tra fish skin The thesis presented an overview of the structure, origin and application of collagen; the collagen extraction methods and the theoretical basis of kinetic of solid — liquid extraction. Statistical optimization of process conditions using the central composite design (CCD) appeared to be an effective tool for the extraction process of soluble collagen from the fish skin (Pangasius hypophthalmus). Each of the three independent variables (acetic acid concentration, liquid to solid ratio, and pepsin content) showed a significant effect in the yield of extracted collagen. The mathematical model gave an R? of 0,993 and a P value of less than 0,0001, which implied a good agreement between the predicted values and the actual values of the yield of PSC, thus confirmed a good generalization of the mathematical model.

The optimal conditions to obtain maximum yield of PSC were identified as follows: 0,47 M of acetic acid concentration, 55 mL/g of liquid to solid ratio and 0,49 % of pepsin content. Under these optimized conditions, the experimental PSC extraction yield agreed closely with the predicted yield of 92,44 %. Kinetic models based on the second order rate equation were successfully developed to describe the extraction process with different processing variables. Extraction rate constant, initial extraction rate and equilibrium concentrations of collagen for different acetic acid concentrations, pepsin contents and liquid to solid ratios were predicted.

The vil model verification showed that the experimental values agreed with the predicted ones, with percentage error differences in the range of 0,18 - 4,05 %. The extraction of collagen from basa fish (Pangasius hypophthalmus) skin mainly consists of three phases: Phase 1- Removing fat and pigments: basa fish skin was treated by LASNa 0,5 % to remove fat, during 6 hours and H2O2 1 % to remove pigments, during 2 hours. The compositions of basa fish skin after treatment by LASNa were as follows: hydroxyproline - 13,8 mg/g; moisture - 79,54 %; organic substance - 20,33 %; lipid — 0,98 % and ash — 0,13 %; color parameters obtained as follows: L = 73,065 + 0,12; a= -3,64 + 0,11 and b =18,32 + 0,68. Phase 2 - Extraction of collagen from basa fish skin and fractional precipitation to obtain collagen: Collagen was extracted from basa fish skin with acetic acid - 0,47 M, pepsin - 0,49 % and L/S - 55 ml/g during 24 hours at a temperature of 4 °C, then NaCl was added to a final concentration of 0,9 M in order to precipitate collagen.

Phase 3 - Refining collagen in two main stages (removing sodium chloride in solution collagen by dialysis and removing lipid by SCCOz2). After purification, the compositions of collagen were: 0,159 % of NaCl; 0,1467 % of lipid (by dry weight). The collagen from basa fish skin is identified as type I collagen. The collagen consist of three chains as follows: the a chain with molecular weight of about 130 kDa, the B chain with molecular weight of about 250 kDa (as components of two a chain) and the y chain chain with molecular weight of about 300 kDa (as components of 3 a chain).

The denature temperature of collagen is 39 °C. The final product’s compositions were: hydroxyproline 97,76 mg/g (corresponding collagen content is 927,7 mg/g); organic compounds 92,8 %; moisture 7,0 %; lipid 0,03 % and ash 0,20 %; without detection of heavy metals (As, Pb). The product met the microbiological standards of Vietnam Pharmacopoeia IV-2009. Vill LỜI CÁM ƠN Tôi xin bảy tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới: GS.

Phan Dinh Tuan và PGS. Nguyễn Hoàng Dũng, những người thầy đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án này. Xin cảm ơn dự án RBE (Research Based Education)- JICA, thay PGS.