Tách chiết collagen từ da cá tra (pangasius hypophthalmus) bằng phương pháp hóa học

Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn Soá 2/2012 TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG  31 THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC TÁCH CHIẾT COLLAGEN TỪ DA CÁ TRA (Pangasius hypophthalmus) BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC ISOLATION COLLAGEN FROM CATFISH SKIN (Pangasius hypophthalmus) BY CHEMICAL METHODS Trần Thị Huyền1, Nguyễn Anh Tuấn2, Hoàng Ngọc Anh3, Vũ Lệ Quyên4 Ngày nhận bài: 21/10/2011; Ngày phản biện thông qua: 04/05/2012; Ngày duyệt đăng: 10/06/2012 TÓM TẮT Quy trình tách chiết collagen từ da cá tra bằng phương pháp hóa học được nghiên cứu. Kết quả cho thấy để tăng hiệu quả cho quá trình tách chiết collagen, ban đầu da cá tra được xử lý bằng NaOH 0,2M, w/v=1/10, trong thời gian 20 giờ, thay dung dịch xử lý 2 giờ một lần, rồi tiếp tục xử lý axit citric 0,003M, w/v= 1/8, trong thời gian 30 phút. Xử lý hydroperoxide (oxy già) là không hiệu quả để khử sắc tố trên da cá. Quá trình chiết collagen được thực hiện với acid acetic 0,5M, w/v =1/10 trong 34 giờ, dịch chiết được kết tủa collagen bằng NaCl 2,5M. Công đoạn làm sạch được thực hiện với dung môi Na 2 HPO 4 0,02M. Hiệu suất thu collagen là 76,9% (tính theo % khối lượng khô), khả năng giữ nước là 415%, nhiệt độ biến tính 390C, collagen thu được có 4 loại protein có các khối lượng phân tử lần lượt là 217kDa, 185kDa, 156kDa, và 104kDa. Từ khóa: Collagen, chiết collagen, da cá Tra ABSTRACT The process of extracting collagen from catfi sh skin by chemical methods was studied. The results showed that to increase the effi ciency of extracting collagen, fi rst, catfi sh skin was treated with 0.2 M NaOH, w / v = 1 / 10, during 20 hours, changing treatment solution every 2 hours, and then processing by 0.003 M citric acid, with a solid/solution ratio of 1/8, in 30 minutes. Handling the skin with hydroperoxide (hydrogen peroxide) was not effective in reducing the pigment in the fi sh skin. Collagen extraction process was performed with 0.5 M acetic acid, a solid/solution ratio of 1 / 10 in 34 hours, collagen extracts were precipitated with NaCl 2.5 M. The purifi cation was done with solvent Na 2 HPO 4 0.02 M. Yield of col- lagen is 76.9% (% of dry weight), water holding capacity is 415%, denaturation temperature was 390C, collagen obtained 4 proteins of molecular weight 217kDa, 185kDa, 156kDa, and 104kDa. Keywords: Collagen, extracting collagen, catfi sh skin 1 ThS. Trần Thị Huyền, 2TS. Nguyễn Anh Tuấn, 4KS. Vũ Lệ Quyên: Khoa Công nghệ Thực phẩm - Trường Đại học Nha Trang 3 ThS. Hoàng Ngọc Anh: Viện Công nghệ Sinh học & Môi trường - Trường Đại học Nha Trang I. ĐẶT VẤN ĐỀ Cá tra là một loài thủy sản được nuôi khá phổ biến ở các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long trong đó một lượng đáng kể là Pangasius hypophthalmus. Sản lượng thu hoạch cá tra ở Việt Nam năm 2010 được ghi nhận là 1,141 triệu tấn, sản lượng xuất khẩu đạt 645.000 tấn, kim ngạch xuất khẩu đạt 1,39 tỉ USD (Hiệp hội Chế biến & Xuất khẩu Thủy sản Việt Nam). Ước tính nếu đưa vào sản xuất 700.000 tấn cá tra sẽ loại ra 100.000 tấn mỡ và khoảng 50.000 - 70.000 tấn phế liệu da và xương. Như vậy nguồn phụ phẩm da cá là khá dồi dào để nghiên cứu sản xuất collagen. Collagen mà đặc biệt là collagen từ thủy sản được đánh giá có khả năng ứng dụng cao không những trong ngành thực phẩm mà trong ngành mỹ phẩm và dược phẩm (C Meena và cộng sự, 1999, Bryan Jeun và cộng sự, 2002). Trên thế giới, việc Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn Soá 2/2012 32  TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG nghiên cứu sản xuất collagen được quan tâm từ những năm 1990 nhưng ở Việt Nam cho tới nay chưa có một công bố nào về nghiên cứu thu nhận collagen được đưa vào ứng dụng. Các tác giả trên thế giới đã nghiên cứu thu nhận collagen bằng phương pháp hóa và phương pháp hóa học kết hợp với sinh học (Takeshi Nagai, 2000; LS. Sensrsture, 2006; Sang Moo Kim, 2007). Mục đích của nghiên cứu này là bước đầu xây dựng quy trình thu nhận collagen từ da cá tra ở Việt Nam bằng phương pháp hoá học. Nghiên cứu này sẽ đề xuất được quy trình tách chiết collagen và xác định một số tính chất cơ bản của sản phẩm collagen. II. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Chuẩn bị mẫu Da cá tra được lấy từ xí nghiệp chế biến cá tra thuộc công ty cổ phẩn Nam Việt, khu công nghiệp Mỹ Quý, phường Mỹ Quý, thành phố Long Xuyên, tỉnh An Giang. Da cá đã được sơ chế và cấp đông dạng block, đóng gói PE, có trọng lượng 6kg/block, đạt tiêu chuẩn xuất khẩu. Nguyên liệu đượ c cho và o thù ng xố p cá ch nhiệ t, duy trì nhiệt độ bảo quản bằng nước đá gel rồi vậ n chuyể n về phò ng thí nghiệ m bả o quả n đông ở nhiệt độ <-20oC cho tớ i khi sử dụ ng. Cách chuẩn bị nguyên liệu cho thí nghiệm: các bánh da cá sau khi được rã đông tự nhiên và rửa sơ bộ để loại bỏ bớt mỡ, thịt vụn còn sót lại, được đem đi cắt thành những miếng nhỏ kích thước 1x1cm, phục vụ cho thí nghiệm. 2. Phương pháp nghiên cứu 2.1. Phương pháp phân tích Xác định màu mẫu thử bằng máy đo màu Chroma meter CR- 400. Xác định nhiệt độ biến tính: theo phương pháp của Kimura và cộng sự (1988). Xác định khả năng giữ nước của colla- gen theo phương pháp của. Mc. Connel và cộng sự (1974). Hàm lượng collagen được xác định từ hàm lượng hydroxyproline theo phương pháp của C. George Carlson và áp dụng công thức chuyển đổi theo AOAC 990.26. Phân tích hàm lượng protein tổng số bằng phương pháp Kjeldahl theo TCVN 4295-86. Phân tích hà m lượ ng khoáng bằng phương phá p nung theo TCVN 5105-90. Phân tích điện di protein theo phương pháp của Weber và Os- born 1969. 2.2. Phân tích số liệu Số liệu thí nghiệm được xử lý trên phần mềm Microsoft Excel. 2.3. Sơ đồ nghiên cứu Các công đoạn nghiên cứu được bố trí theo sơ đồ hình 1. Da cá sau khi rử a, cắ t nhỏ với kí ch thướ c khoả ng 1x1cm được xử lý qua kiềm NaOH để khử cá c tạ p chấ t phi collagen như lipit, protein khoáng, sắc tố và một số chất trên nguyên liệu da cá. Để đạt được mục đích khử khoáng thì cần nghiên cứu chế độ xử lý axit citric thích hợp (nồng độ 0,001 ÷ 0,005 M; thời gian 10 ÷ 50 phút và tỷ lệ xử lý w/v: 1/6, 1/8, 1/10) cho nguyên liệu da cá. Da cá sau khi xử lý axit citric được rửa lại bằng nước thường rồi đem xử lý oxy già để tẩy màu cho nguyên liệu nhằm mục đích sản phẩm collagen thu được có màu sáng hơn. Việc tẩy màu trong quy trình thu nhận collagen này còn được bố trí thử nghiệm tại thời điểm thu kết tủa để so sánh hiệu quả tẩy trắng của oxy già để lựa chọn chế độ tẩy màu thích hợp (nồng độ 10‰ ÷ 40‰, thời gian 7 ÷ 13 phút). Sau khi xác định được các thông số xử lý thích hợp thì da cá được nghiên cứu chiết xuất collagen bằng một số axit hữu cơ khác nhau để tìm ra chế độ chiết hiệu quả nhất (axit axetic nồng độ 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6M; thời gian 16, 34, 52, 70 giờ; w/v là 1/8, 1/10, 1/12, 1/14), (Axit lactic nồng độ 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6M, thời gian 10, 22, 34, 46 giờ, w/v là 1/8, 1/10, 1/12, 1/14), (Axit citric nồng độ 0,025, 0,05, 0,075, 0,1, 0,125M, thời gian 7, 17, 27, 37 giờ, w/v là 1/6, 1/8, 1/10, 1/12). Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn Soá 2/2012 TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG  33 Kết tủa thu được tiếp tục được nghiên cứu làm sạch các tạp chất bằng các phương pháp thẩm tích (Na2HPO4 0,02M trong 24, 36, 48 giờ) và phương pháp hoà tan kết tủa lặp lại 1lần, 2 lần. Sản phẩm của mỗi thí nghiệm được đem đi kiểm tra các chỉ tiêu thích hợp để có cơ sở đề xuất quy trình tách chiết collagen. III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 1. Xác định chế độ xử lý axít citric tách khoáng Xác định được chế độ xử lý axit citric thích hợp là nồng độ axit citric 0,003M; tỷ lệ da cá/ dd là 1/8 trong thời gian 30 phút, cho hiệu suất khử khoáng 75,53%, nhiệt độ biến tính là 39,50C và khả năng giữ nước là 365%. Khi tăng các giá trị nồng độ, tỷ lệ và thời gian xử lý axit citric thì hiệu quả khử khoáng tăng lên nhưng nhiệt độ biến tính và khả năng giữ nước lại giảm. Cơ chế loại khoáng của axit citric giải thích được hiện tượng này. Các nhóm -COOH sẽ cho đi một proton để tạo thành các muối citrat với các ion kim loại, các muối này dễ tan trong nước nên sẽ được loại bỏ trong chế độ rửa. Tuy nhiên khi nồng độ axit citric, tỷ lệ da cá/dd và thời gian xử lý tăng lên thì mức độ tiếp xúc của da cá càng cao nên có tác dụng tháo xoắn và tác dụng lên các mạch thành phần của phân tử collagen làm cho khả năng chịu nhiệt của collagen giảm. Nồng độ H+ cao đã khoá bớt các gốc NH2 làm cản trở liên kết hyđrô với phân tử nước nên khả năng hút nước của collegen giảm đi. 2. Xác định chế độ chiết collagen Hình 2. Ảnh hưởng của nồng độ, tỷ lệ nguyên liệu/dung môi và thời gian chiết của các axit khác nhau đến khả năng giữ nước, nhiệt độ biến tính và hiệu suất thu collagen Trong đó a, b, c, d chiết bằng axit acetic; e, f, g, h chiết bằng axit citric; i, j, k,l chiết bằng axit lactic. Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn Soá 2/2012 34  TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG 2.1. Chiết bằng axit acetic Khi tăng nồng độ axit acetic từ 0,3 ÷ 0,5M thì khả năng giữ nước và nhiệt độ biến tính đều có khả năng tăng và đạt giá trị lớn nhất tại nồng độ axit acetic là 0,5 M (lần lượt là 415% và 390C). Tiếp tục thí nghiệm với nồng độ axit acetic 0,5M thì thời gian chiết 34 giờ và tỷ lệ da cá/dd axit ace- tic 1/10 cho khả năng giữ nước và nhiệt độ biến tính lớn nhất. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ axit acetic và thời gian chiết đến hiệu suất thu chế phẩm collagen được trình bày trong hình 2d. Theo đó, ở cùng nồng độ chiết axit acetic 0,3M nếu thực hiện chiết trong 34 giờ thì hiệu suất thu collagen thấp hơn (48,6%) khi chiết trong 52 giờ (63,15%). Nhưng ở các nồng độ axit ace- tic 0,4 và 0,5M thì ngược lại và hiệu suất thu chế phẩm collagen cao nhất là 76,9% (tính theo khối lượng khô) ở nồng độ axit acetic 0,5M. Từ kết quả nghiên cứu này cho thấy chế độ chiết collagen bằng axit acetic thích hợp là: axit acetic nồng độ 0,5 M, thời gian chiết là 34 giờ, tỷ lệ da cá/ dd axít acetic là 1/10. 2.2. Chiết bằng axit citric Chế độ chiết cho khả năng giữ nước, nhiệt độ biến tính của chế phẩm collagen lớn nhất tại nồng độ axit citric 0,05 M, thời gian chiết 17 giờ và tỷ lệ w/v 1/8. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ axit citric và tỷ lệ da cá/ dd axit citric (w/v) đến hiệu suất thu chế phẩm collagen được biểu diễn ở hình 2h. Ở cùng nồng độ dung môi chiết thì hiệu suất thu chế phẩm collagen giảm dần khi tăng tỷ lệ w/v này và khi chiết với axit citric có nồng độ 0,05M thì hiệu suất thu chế phẩm collagen cũng cao hơn khi chiết với nồng độ 0,075M. Điều này có thể do độ mạnh của axit citric kết hợp với việc tăng tỷ lệ w/v đã làm ảnh hưởng không tốt đến cấu trúc mạch phân tử collagen làm cho collagen tan ra mà không kết tủa lại được nên hiệu suất thu chế phẩm col- lagen giảm. Kết quả nghiên cứu này cho phép đề xuất chế độ chiết collagen thích hợp bằng axit citric là tại nồng độ 0,05M, tỷ lệ w/v là 1/8 trong thời gian 17 giờ. 2.3. Chiết bằng axit lactic Khi nồng độ axit lactic lớn hơn 0,3M thì nhiệt độ biến tính của chế phẩm collagen giảm nhanh mặc dù khả năng giữ nước giảm không đáng kể. Thời gian chiết là 22 và 34 giờ đều cho kết quả nhiệt độ biến tính và khả năng giữ nước của chế phẩm collagen tương đối cao (lần lượt là 410C và 270%; 39,80C và 200%). Tỷ lệ w/v là 1/10 cho kết quả khả năng giữ nước và nhiệt độ biến tính cao hơn đáng kể so với các tỷ lệ khác. Từ kết quả thăm dò này tiếp tục thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của các chế độ chiết đã lựa chọn đến hiệu suất thu chế phẩm collagen. Kết quả thu được biểu diễn trong hình 2. Rõ ràng với nồng độ axit lactic 0,3M và thực hiện chiết trong thời gian 22 giờ thì thu được nhiều chế phẩm collagen nhất. Kết hợp với kết quả thăm dò cho phép lựa chọn chế độ chiết collagen bằng axit lactic thích hợp là nồng độ axit lactic 0,3M, thời gian chiết 22 giờ, tỷ lệ w/v là 1/10. Các kết quả chiết collagen bằng 3 loại axit này cho phép đề xuất chế độ chiết collagen thích hợp là axit acetic 0,5M trong thời gian 34 giờ và tỷ lệ w/v là 1/10. 3. Nghiên cứu sử dụng hydro peroxit để khử màu Bảng 1. Ảnh hưởng của hydroperoxit đến tính chất collagen Thời gian (phút) Nồng độ hiđro peroxit (‰) Khả năng giữ nước (%) Nhiệt độ biến tính (0C) Màu sắc 7 10 381 38,6 60,35 20 379 38,4 61,03 30 376 37,9 62,57 40 365 36,4 64,07 9 10 381 38,6 62,17 20 378 38,2 62,37 30 374 37,5 64,94 40 364 35,9 65,33 11 10 380 38,4 62,39 20 378 38,0 62,78 30 370 36,3 65,23 40 362 35,2 65,54 13 10 380 38,4 62,44 20 376 37,5 62,87 30 365 36,0 65,48 40 357 35,0 65,98 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ hydroperoxit, thời gian xử lý đến hiệu quả khử màu sắc của chế phẩm collagen là không đáng kể. Cụ thể mẫu collagen trước và sau khi xử lý hydro peroxit có độ trắng tăng từ 59,97 lên 64,94. Tuy nhiên nhiệt độ Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn Soá 2/2012 TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG  35 biến tính và khả năng giữ nước của chế phẩm colla- gen lại giảm: nhiệt độ biến tính giảm từ 38,90C xuống 37,50C, khả năng giữ nước giảm từ 382% xuống còn 374%. Từ kết quả trên cho thấy hydroperoxit cho hiệu quả khử màu không cao mà còn gây ảnh hưởng đến đến các liên kết mạch bên của mạnh peptid làm giảm khả năng chịu nhiệt và liên kết với nước của collagen. 4. Xác định chế độ làm sạch chế phẩm collagen 4.1. Kết quả nghiên cứu thử nghiệm thẩm tích chế phẩm collagen Kết quả nghiên cứu thẩm tích chế phẩm collgen cho thấy khi tăng thời gian thẩm tích thì hàm lượng protein tăng và hàm lượng khoáng lại giảm. Cụ thể sau thời gian thẩm tích 24 thì hàm lượng pro- tein tăng từ 82,6% lên 86,9%, hàm lượng khoáng giảm từ 15,26% xuống 7,82%. Tiếp tục tăng thời gian thẩm tích lên 36 giờ thì hàm lượng protein tăng lên 94,8% và hàm lượng khoáng còn 2,26%. Tuy nhiên khi tiếp tục tăng thời gian thẩm tích lên 48 giờ thì hiệu quả làm sạch tăng lên không đáng kể. 4.2. Kết quả nghiên cứu thử nghiệm chiết lặp lại cho chế phẩm collagen Sau khi chế phẩm collagen được hoà tan và kết tủa lại 1 lần và 2 lần thì hàm lượng prottein và collagen đều tăng. Tuy nhiên sự tăng này là nhỏ hơn so với phương pháp làm sạch bằng màng thẩm tích. Cụ thể sau 2 lần hòa tan và kết tủa lại hàm lượng protein tăng từ 82,6% lên 87,2%, hàm lượng collagen tăng từ 76,9% lên 78,4%. Từ kết quả trên cho thấy phương pháp làm sạch bằng cách hoà tan và kết tủa lại cho hiệu quả không cao bằng phương pháp thẩm tích. Như vậy bước đầu đề xuất chế độ làm sạch tốt hơn trong hai chế độ thử nghiệm này là thực hiện làm sạch chế phẩm collagen bằng cách thẩm tích trong dung môi Na2HPO4 0,02M trong thời gian 36 giờ, thay dung môi 4 giờ một lần. 5. Đề xuất quy trình thu nhận Collagen từ da cá Tra Từ các kết quả thu được cho phép đền xuất quy trình thu nhận collagen bằng phương pháp hóa học như hình 3. 6. Đánh giá chất lượng sản phẩm collagen thu được từ quy trình đề xuất Collagen thu được được phân tích các thành phần hóa học cơ bản và một số tính chất đặc trưng như sau: 1. Thành phần hóa học cơ bản của sản phẩm Protein : 85,3% Lipit : 1,76% Khoáng : 2.04% Ẩm : 10% Hg : 0,87 mg/kg Pb và As : không phát hiện 2. Khả năng giữ nước: 415% 3. Nhiệt độ biến tính: 390C 4. Màu sắc: 59,97 5. Hàm lượng collagen: 70,15% (theo % khối lượng khô) 6. Khối lượng phân tử: Kết quả phân tích điện di để xác định khối lượng phân tử của collagen thu được cho thấy trong sản phẩm collagen thu được có 4 loại protein có các khối lượng phân tử lần lượt là Hình 3. Sơ đồ quy trình thu nhận collagen từ da cá tra Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn Soá 2/2012 36  TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG 217kDa, 185kDa, 156kDa, và 104kDa. Kết quả điện di mẫu collagen biểu diễn trên hình 4. Hình 4. Kết quả điện di protein mẫu collagen Land 1: hỗn hợp chuẩn protein; Land 2: mẫu collagen (50µ protein) IV. KẾT LUẬN Collagen có thể thu được từ nguyên liệu da cá tra bằng các công đoạn cơ bản như xử lý kiềm để khử protein và xà phòng hóa lipit, xử lý axit citric để khử bớt khoáng cho nguyên liệu, chiết bằng axit acetic và dung muối NaCl để thu kết tủa. Kết tủa được làm sạch bằng phương pháp thẩm tích trong Na2HPO4. Sản phẩm collagen thu được có các thành phần hóa học và một số tính chất đặc trưng phù hợp với các tính chất của collagen thu nhận từ thủy sản (Muyonga, coleb, & Duodub, 2004; Nagai & Suzuki, 2001; Sadowska, Kollodziejka, & Niecikowska, 2003) ngoại trừ hàm lượng khoáng vẫn còn hơi cao. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn (2008), Báo cáo kết quả thực hiện kế hoạch tháng 12 và năm 2008 ngành Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn. 2. Nguyễn Cảnh (1995), Quy hoạch thực nghiệm, Đại học Bách Khoa, Tp Hồ Chí Minh. 3. Trần Thị Huyền (2009). Nghiên cứu quy trình sản xuất collagen từ da cá tra. Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật, Trường Đại học Nha Trang. 4. HaiYing Liu, Ding Li, ShiDong Guo (2007), Studies on collagen from the skin of channel catfi sh (Ictalurus punctaus), Food chemistry, pages 621-625. 5. K. A. Nam, S. G. You, and S. M.Kim (2007), Physicochemical properties of squid skin collagen, proceedings of the 11th international symposium on the effi cient application and preservation of marine biological resources, Nha Trang university, pages 72-89. 6. Takeshi Nagai, Nobutaka Suzuki (2000), Isolation of collagen from fi sh waste materials- skin, bone, and fi ns, Food chemistry, pages 277-281. 7. Takeshi Nagai, Masami Izumi, Masahide Ishii (2004), Fish scale collagen-preparation and partial characterization, International Journal of Food Science and, Technology, pages 239-244. 8. Vittayanont, Bebjakul (2005), The extracting collagen from chicken feet, from paper_31440.htm