Đề tài Thiết kế phân xưởng sản xuất Gelatin từ da cá tra

I. Gelatin da cá [1, 4, 5, 6, 9] 1. Gelatin 1.1 Giới thiệu chung Gelatin là sản phẩm thu được từ collagen. Sản phẩm gelatin thương mại đầu tiên xuất hiện ở Hà Lan vào khoảng năm 1685, sau đó xuất hiện ở Anh vào khoảng năm 1700. Cuối thế kỷ 19, ngành công nghiệp sản xuất gelatin xuất hiện, làm tăng thêm ứng dụng và ổn định tính chất sản phẩm. Năm 1850, công nghiệp sản xuất gelatin xuất hiện tại Mỹ. Nguồn nguyên liệu chính lúc này là da chưa thuộc và xương. Đến năm 1930, ngành sản xuất này phát triển mạnh mẽ khi da heo được xem như một nguồn nguyên liệu. Trong công nghiệp thực phẩm, gelatin là một trong những loại keo ưa nước hoặc hợp chất cao phân tử tan được trong nước có thể sử dụng như tác nhân tạo gel, tạo độ đặc hoặc tác nhân ổn định cấu trúc. Gelatin khác với các loại keo khác ở chỗ trong khi hầu hết các loại keo khác là polysaccharide (như carrageenan, pectin, agar,…) thì gelatin lại là một loại protein chứa tất cả các acid amin thiết yếu ngoại trừ tryptophane. Hiện nay, lượng gelatin được sản xuất hàng năm trên thế giới ước tính khoảng 2000 tấn và lượng gelatin sử dụng trong thực phẩm mỗi năm tăng khoảng 3%, chủ yếu trong sản xuất bánh kẹo và thực phẩm năng lượng thấp. 1.2 Định nghĩa Gelatin là polypeptit cao phân tử thu nhận từ collagen - thành phần protein chủ yếu của mô liên kết động vật - bao gồm xương, da và gân. Tên “gelatin” được sử dụng phổ biến từ khoảng năm 1700 có nguồn gốc từ chữ Latin “gelatus”. Thuật ngữ gelatin mặc dù đôi khi được dùng để đề cập đến các tác nhân tạo gel nói chung nhưng lại riêng dùng để nói đến vật liệu protein tạo ra từ collagen đã bị thoái hoá do nhiệt. 1.3 Cấu tạo 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 với khoảng 1000 acid amin, hình thành nên cấu trúc bậc 1. Chuỗi peptide có chiều dài khác nhau phụ thuộc nguồn nguyên liệu, chuỗi có một đầu là nhóm amino, một đầu là nhóm carboxyl. Cấu trúc thường gặp của gelatin là Gly – X – Y (với X chủ yếu là nhóm proline còn Y chủ yếu là nhóm hydroxyproline). Hình 1.1 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 1.2 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. Trong phân tử gelatine có một số nhóm tích điện: carboxyl, imidazole, amino, guanidino. Tỷ lệ các nhóm này ảnh hưởng đến pH và pI của gelatin. Ngoài ra còn các nhóm không mang điện tích là các nhóm hydroxyl (serine, threonine, hydroxyproline, hydroxylysine, tyrosine) và các nhóm peptide (-CO-NH-) quy định khả năng tạo liên kết hydro, quy định cấu trúc phân tử. 1.4 Thành phần Tất cả các acid amin có mặt trong protein đều hiện diện ở gelatin ngoại trừ tryptophane và cystine mặc dù cũng phát hiện ra vết của chúng. Bảng 1.1. Thành phần acid amin thu được khi thủy phân 100g mẫu gelatin. Acid amin Khối lượng (gam) Glycine Alanine Valine Leucine Isoleucine Phenylalanine Trytophane Serine Threonine Tyrosine Proline Hydroxyproline Methionine Cysteine Cystine Lysine Arginine Histidine Acid aspartic Acid glutamic Hydroxylysine 26 – 31 8 – 11 2,6 – 3,4 3,0 – 3,5 1,4 – 2 2 – 3 - 2,9 – 4,2 2,2 – 4,4 0,2 – 1 15 – 18 13 – 15 0,7 – 1 - vết 4 – 5 8 – 9 0,7 – 1 6 – 7 11 – 12 0,8 – 1,2 Hình 1.3. Thành phần phần trăm acid amin của gelatin. 1.5 Phân loại Có rất nhiều cách để phân loại gelatin tùy thuộc vào phương pháp sản xuất, nguyên liệu, đặc tính sản phẩm… Sau đây là vài cách phân loại cơ bản: 1.5.1 Phân loại dựa theo nguồn gốc nguyên liệu Có các loại như: Gelatin có nguồn gốc động vật: là gelatin sản xuất từ da, xương, gân động vật có vú. Gelatin cá: gelatin sản xuất từ da các loại cá như cá tuyết, cá trắm cỏ… Gelatin từ cá có hàm lượng proline và hydroxyproline thấp nên có nhiệt độ tạo gel thấp (vì số liên kết hidro hình thành thấp).  1.5.2 Phân loại dựa theo phương pháp sản xuất Có 2 loại: Gelatin loại A: Quá trình sản xuất xử lý bằng acid, dùng khi sản xuất gelatin từ da heo. Gelatin loại B: Quá trình sản xuất xử lý bằng kiềm, dùng khi sản xuất gelatin từ da và xương gia súc. 1.5.3 Phân loại dựa theo cấu trúc phân tử Có 3 loại: Gelatin thuỷ phân: là gelatin mất khả năng tạo gel khi bị thủy phân thành các polypeptit mạch ngắn. Các sản phẩm thủy phân này được tạo ra bằng cách sử dụng enzym thực hiện quá trình thủy phân, sau đó tiệt trùng, cô đặc và cuối cùng là sấy phun. Không giống như các protein khác, các sản phẩm thủy phân từ gelatin không có vị đắng nên có thể sử dụng cho nhiều sản phẩm thực phẩm: 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 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 hoá: gelatin ester hoá bởi các acid béo, giúp cải thiện khả năng tạo nhũ, mở rộng chức năng sinh học của acid béo (một số acid béo không thể bổ sung trực tiếp vào thực phẩm do mùi vị kém, dễ bị oxy hoá, không tan trong nước… Quá trình ester hoá gelatin giúp bổ sung acid béo vào thực phẩm). Gelatin tan trong nước lạnh (gelatin sử dụng liền – instant gelatins): đây là loại gelatin khi sấy không qua pha tạo gel, có cấu trúc vô định hình, không tạo tinh thể. Cấu trúc vô định hình của gelatin loại này cho phép nó trương nở rất nhanh và rất mạnh. 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. Loại gelatin này hút ẩm mạnh và khó tạo gel khi nồng độ thấp. 1.6 Tính chất Gelatin là chất rắn dạng miếng, vảy, bột hoặc hạt, không mùi, không vị, trong suốt, có màu từ vàng nhạt đến màu trắng. Ở nhiệt độ thường và độ ẩm thường, gelatin chứa từ 9-12% ẩm và có tỉ trọng riêng từ 1,3-1,4. Các hạt gelatin rắn khi ngâm trong nước sẽ hút nước và trương nở. Gelatin có thể hấp thu một lượng nước gấp 5-10 lần khối lượng của nó. Khi gia nhiệt, gelatin đã hydrat hóa sẽ nhanh chóng chuyển thành dạng dung dịch. Gelatin tan trong các polyol như glycerin, propylen glycol, sorbitol, manitol, không tan trong cồn, aceton, CCl4, benzen, ether và các dung môi hữu cơ khác. Các muối phosphat, citrat, sulfat ở nồng độ thấp cũng làm gelatin trong dung dịch nồng độ cao kết tủa. Gelatin là một thực phẩm, có chứa 9 loại amino acid cần thiết cho con người. Gelatin không phải là phụ gia thực phẩm nên không có giới hạn sử dụng. Bảng 1.2. Tỷ lệ và thành phần các acid amin trong gelatin sản xuất từ da và xương Thành phần amino acid Từ da (%) Từ xương (%) Aspartate 5,2 5,3 Glutamate 7,1 7,3 Hydroxyproline 5,6 5,6 Serine 6,3 6,3 Glycine 35,8 35,8 Histidine 1,2 1,1 Arginine 5,3 5,4 Threonine 2,3 2,4 Alanine 10,3 10,3 Proline 9,8 9,5 Tyrosine 0,5 0,5 Valine 1,7 1,8 Methionine 1,7 1,6 Isoleucine 1,1 1,2 Leucine 2,0 2,1 Phenylalanine 1,2 1,2 Lysine 2,7 2,5 1.6.1 Độ nhớt và khả năng tạo gel Độ nhớt và khả năng tạo gel của gelatin phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Ở nhiệt độ 350C, 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. 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. Độ bền của gel khi đông 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 ống có đường kính 13 mm để khối gel lún xuống 4mm. Khối gel có hàm lượng gelatin là 6,67%; được giữ ổn định ở 100C trong 16 ¸ 18h. Gelatin trên thị trường có độ Bloom trong khoảng 50 ¸ 300 Bloom (gam). 1.6.2 Khối lượng phân tử và sự phân bố khối lượng phân tử Gelatin có bloom cao thường chứa một tỉ lệ lớn (30 – 35%) các phân tử có kích thước giống nhau dưới dạng các chuỗi a-và b-. Phần lớn các gelatin cũng chứa các tổ hợp với phân tử có khối lượng trên 10 triệu và các polypeptit với các phân tử có khối lượng ít hơn 80.000. Sự phân bố khối lượng phân tử: các dạng gelatin thường gặp bao gồm các chuỗi d với khối lượng phân tử 230.000-340.000, chuỗi b với khối lượng phân tử 123.000 – 230.000, chuỗi a với khối lượng phân tử 80.000 – 125.000 và các chuỗi a nhỏ 10.000 – 80.000. 1.6.3 Điểm đẳng điện Cũng giống như các protein khác, gelatin có thể hoạt động như một acid hoặc một base, 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 tỉ lệ của các nhóm carboxyl, amin có liên quan đến sự khác nhau trong điểm đẳng điện của gelatin. Ởû 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 lí bằng acid hoặc base sẽ thủy phân nhóm amid trong phạm vi lớn hoặc nhỏ hơn. 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) Gelatin được điều chế bằng phương pháp acid có điểm đẳng điện cao 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 lí bằng kiềm dài hơn 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. 1.6.4 Cơ chế tạo gel Gelatin trương nở khi được cho vào nước, hấp thụ một thể tích nước bằng 5-10 lần thể tích của bản thân nó. Khi được gia nhiệt đến nhiệt độ cao hơn điểm tan chảy, gelatin đã trương nở hòa tan và tạo thành gel khi được làm nguội. Quá trình chuyển đổi giữa dạng dung dịch và dạng gel có tính thuận nghịch. Tính chất này được lợi dụng trong nhiều quá trình chế biến thực phẩm. Ngoài ra, gel của gelatin bắt đầu tan chảy ở 27-340C và có khuynh hướng tan trong miệng. Tính chất này đươc ứng dụng nhiều trong thực phẩm. Cơ chế cơ bản của sự tạo gel là sự thay đổi ngẫu nhiên của dạng xoắn ốc. Iminoacid của các chuỗi polypeptit khác nhau tạo một hình thể xoắn ốc khi làm nguội và các vòng xoắn này được ổn định nhờ các cầu hydro, tạo gel ba chiều. Sự tạo gel của gelatin được xem như sự tái tạo một phần collagen và phần đã được tái tạo này hoạt động như một đoạn chức năng của gel. 1.7 Ứng dụng 1.7.1 Trong công nghiệp thực phẩm Gelatin chủ yếu được dùng làm phụ gia tạo gel, tạo ra dạng gel mềm dẻo, trong suốt, nghịch đảo nhiệt khi làm nguội dưới 350C. Gelatin tan trong nước, tạo ra cảm giác sản phẩm tan trong miệng. Do gelatin khi tan trong miệng tạo cảm giác đầy miệng nên được sử dụng làm chất thay thế chất béo. Gelatin thiếu tryptophane, ít methionine, nhiều lysine nhưng khi phối hợp với các nguồn cung cấp protein khác cũng thành nguồn cung cấp protein tốt. Gelatin không chứa chất béo, đường, purine hay cholesterol, cung cấp ít năng lượng (3,5 kcal/g) nên được dùng làm thực phẩm cho người ăn kiêng. Trong CNSX kem: gelatin giúp tạo cấu trúc mềm mại cho sản phẩm, ngăn cản quá trình tách lỏng khi làm lạnh đông kem. Sử dụng kết hợp với các chất ổn định khác nhằm tạo độ tan chậm nhờ điều chỉnh độ nhớt của hỗn hợp. Gelatin có khả năng điều khiển quá trình kết tinh. Nếu lạnh đông nước có 0,5% gelatin, nước không đông thành khối băng cứng mà tạo thành nhiều tinh thể nhỏ. Tính chất này có ứng dụng trong khi bảo quản kem. Trong CNSX kẹo mứt, gelatin được sử dụng làm chất tạo gel, tạo xốp, làm chậm quá trình tan kẹo trong miệng với tỷ lệ 2 – 7%. Trong CNSX rượu, bia và nước hoa quả, gelatin sử dụng làm chất làm trong. Gelatin có khả năng hấp thụ nước gấp 5 ¸ 10 lần thể tích của nó nên được sử dụng trong CNSX đồ hộp thịt để tránh hiện tượng rỉ nước. Đối với các sản phẩm thịt có hàm lượng nước và hàm lượng chất béo cao rất dễ xảy ra hiện tượng tách nước, tách béo ảnh hưởng đến cấu trúc sản phẩm. Gelatin giúp liên kết nước, làm bền hệ nhũ tương, tạo cấu trúc đồng nhất. 1.7.2 Trong công nghiệp dược phẩm Gelatin là thành phần của viên ngậm, thuốc đạn, dung dịch đẳng trương chứa từ 0,5-0,77% gelatin hoặc là thành phần của một loại thuốc sát trùng được sử dụng như nước mắt nhân tạo. Gelatin còn được ứng dụng làm viên bao nang trong dược phẩm. Viên bao nang gồm 2 loại: vỏ cứng và vỏ mềm. Với viên bao cứng, sử dụng gelatin có độ bloom cao và độ nhớt của dung dịch giúp điều chỉnh độ dày của thành viên bao. Viên bao nang mềm sử dụng gelatin có độ bloom thấp hơn, thông thường từ 150-200 và có bổ sung chất hóa dẻo (sorbitol, propylenglycol, saccharose và thường gặp nhất là glycerine). Ngoài ra, trong nha khoa, gelatin còn có trong thành phần của bọt biển sử dụng để thấm và cầm máu. 1.7.3 Trong công nghiệp nhiếp ảnh Gelatin được sử dụng trong nhiếp ảnh với 3 chức năng: Tác nhân liên kết. Tạo ra nhũ tương trong đó gelatin hút nước, tạo thành dung dịch khi gia nhiệt và chuyển thành dạng gel khi làm nguội, sau khi chiết hết nước hình thành một trạng thái bền. Thể tích trương nở của gelatin bảo đảm cho các phản ứng hóa học diễn ra trong suốt quá trình tráng phim. 1.8 Quy định sử dụng Do gelatin là môi trường lý tưởng cho vi sinh vật phát triển nên yêu cầu vệ sinh nghiêm ngặt trong quy trình sản xuất để tránh việc lây nhiễm. Theo quy định về an toàn thực phẩm, quy trình sản xuất gelatin dùng trong thực phẩm phải được kiểm soát chặt chẽ bởi HACCP, yêu cầu độ tinh sạch cao, đảm bảo chất lượng an toàn vật lý, hoá học, vi sinh. Gelatin được dùng như thực phẩm, không có giới hạn sử dụng vì các lý do: Nguyên liệu sản xuất gelatin có nguồn gốc từ động vật phải được bác sỹ thú y kiểm tra và đảm bảo. Nguồn gốc của các nguyên liệu thô phải được đảm bảo theo tiêu chuẩn ISO 9000. Quy trình sản xuất gelatin phải được đảm bảo vệ sinh, độ tinh sạch cao. Tổ chức sức khoẻ thế giới WHO kết luận gelatin là an toàn cho sức khoẻ 1.9 Tiêu chuẩn sản phẩm Tiêu chuẩn gelatin ứng dụng trong các ngành 1.9.1 Gelatin ứng dụng trong thực phẩm Bảng 1.4. Tiêu chuẩn gelatin ứng dụng trong thực phẩm. Độ bền gel (6,67%) Thông số 100-120bloom 120-140bloom 150-170bloom 170-190bloom 190-210bloom 210-230bloom 240-260bloom Độ nhớt (mps/6,67%) 28-36 37-42 40-45 46-55 48-60 48-68 50-75 Độ nhớt Engler (E/15%)≤ 5-7,4 8-9,8 10-11,4 12-15 12-18 12-20 12-25 Độ trong (mm) 100 100 100 200 200 300 400 Hàm lượng tro (%) ≤ 2 2 2 2 1 1 1 Ẩm (%)≤ 14 14 14 14 14 14 14 pH 5-7 5-7 5-7 5-7 5-7 5-7 5-7 Hàm lượng SO2 (mg/kg) ≤ 60 60 60 60 60 50 50 As (mg/kg) ≤ 1 1 1 1 1 1 1 Hàm lượng kim loại nặng (mg/kg)≤ 20 20 20 20 20 20 20 Tổng lượng vi khuẩn (plece/g) ≤ 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 Colibacillus 0 0 0 0 0 0 0 Salmonella 0 0 0 0 0 0 0 1.9.2 Gelatin ứng dụng trong dược phẩm Bảng 1.5. Tiêu chuẩn gelatin ứng dụng trong dược phẩm. Độ bền gel (6,67%)Thông số 150-170Bloom 170-190Bloom 190-210Bloom 210-230Bloom 230-250Bloom Độ nhớt (mps/6,67%) ≥ 40 46 48 48 48 Độ nhớt Engler (E/15%)≥ 9 11 12 15 15 Độ trong (mm) 200 200 200 350 350 Hàm lượng tro (%) ≤ 2 2 2 2 1 Ẩm (%) ≤ 14 14 14 12 12 pH 5-7 5-7 5-7 5-7 5-7 Hàm lượng SO2 (mg/kg) ≤ 50 50 50 50 50 As (mg/kg) ≤ 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 Hàm lượng kim loại nặng (mg/kg)≤ 10 10 10 10 10 Tổng lượng vi khuẩn (plece/g) ≤ 1000 1000 1000 1000 1000 Colibacillus 0 0 0 0 0 Salmonella 0 0 0 0 0 1.9.3 Gelatin ứng dụng trong công nghiệp Bảng 1.6. Tiêu chuẩn gelatin ứng dụng trong công nghiệp. Độ bền gel (Bloom/12,5%)Thông số 240-260Bloom 260-290Bloom 290-310Bloom 310-330Bloom 340-360Bloom Độ nhớt (mps/12,5%) ≥ 80 100 110 120 130 Độ nhớt Engler (E/15%)≥ 4 5 6 7 8 Hàm lượng tro (%)≤ 3 3 3 3 3 Ẩm (%)≤ 16 16 16 16 16 pH 5-7 5-7 5-7 5-7 5-7 Tiêu chuẩn của gelatin theo phương pháp trích ly Gelatin loại A (trích ly theo phương pháp acid) Bảng 1.7. Tiêu chuẩn gelatin loại A. Tiêu chuẩn Type A Độ ẩm (%) 10,5 ± 1,5 Chất béo (%) 0 Carbohydrates (%) 0 Tro (%) 0,5 ± 0,4 Sodium (ppm) 500 ± 200 Phosphorous (ppm) 1 ± 0,8 Sắt (ppm) 4 ± 2 Chì (ppm) 0,002 ± 0,002 Kẽm (ppm) 1,5 ± 0,5 Nitrogen (%) 16,2 ± 0,3 Calcium (ppm) 90 ± 30 Potassium (ppm) 125 ± 50 Calories / 100 grams 360 pH 3,8 – 5,5 Điểm đẳng điện 7,0 – 9,0 Độ bền gel (Bloom) 50 - 300 Độ nhớt (mps) 15 - 75 Hàm lượng tro 0,3 – 2,0 Gelatin loại B (trích ly theo phương pháp base) Bảng 1.8. Tiêu chuẩn gelatin loại B. Tiêu chuẩn Type B Độ ẩm (%) 10,5 ± 1,5 Chất béo (%) 0 Carbohydrates (%) 0 Tro (%) 1,5 ± 0,5 Sodium (ppm) 3600 ± 1400 Phosphorous (ppm) --- Sắt (ppm) 15 ± 10 Chì (ppm) 0,005 ± 0,002 Kẽm (ppm) 5 ± 3 Nitrogen (%) 16,2 ± 0,3 Calcium (ppm) 900 ± 100 Potassium (ppm) 330 ± 50 Calories / 100 grams 360 Tiêu chuẩn Type B pH 5,0 – 7,5 Điểm đẳng điện 4,7 -5,4 Độ bền gel (Bloom) 50 - 300 Độ nhớt (mps) 20 - 75 Hàm lượng tro 0,5 – 2,0 2. Nguyên liệu da cá sản xuất Gelatin 2.1 Cá tra Họ cá tra có tên khoa học là Pangasiidae phân bố tương đối rộng ở khu vực Tây Nam Á. Cá tra được biết đến là loài cá ăn tạp. Trong tự nhiên, cá tra ăn được mùn bã hữu cơ, rễ cây thủy sinh, rau quả, các loài cá tạp nhỏ, tôm tép, cua, và các loại côn trùng có sẵn trong môi trường sống. Pangasius taeniurus (Cá bông lau) Pangasius hypophthalmus (Cá tra) Pangasius bocourti (Cá ba sa) Pangasius macronema (Cá sát sọc) Pangasius larnaudii (Cá vồ đém) Pangasius nasutus (Cá sát bầu) Pangas