Luận án Nghiên cứu thu nhận protein từ phụ phẩm cá lóc (channa striata) và đánh giá khả năng phát triển sản phẩm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ TRƯƠNG THỊ MỘNG THU NGHIÊN CỨU THU NHẬN PROTEIN TỪ PHỤ PHẨM CÁ LÓC (Channa striata) VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG PHÁT TRIỂN SẢN PHẨM LUẬN ÁN TIẾN SĨ CẤP TRƯỜNG CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẦM MÃ NGÀNH: 954.01.01 NĂM 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ TRƯƠNG THỊ MỘNG THU MÃ SỐ NCS: P1120003 NGHIÊN CỨU THU NHẬN PROTEIN TỪ PHỤ PHẨM CÁ LÓC (Channa striata) VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG PHÁT TRIỂN SẢN PHẨM LUẬN ÁN TIẾN SĨ CẤP TRƯỜNG CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM MÃ NGÀNH: 954.01.01 NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS.TS. TRẦN THANH TRÚC PGS.TS. LÊ THỊ MINH THỦY NĂM 2023 i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được luận án này, ngoài sự nỗ lực của bản thân tôi đã nhận được sự động viên, giúp đỡ và hỗ trợ thật quý báu từ các đơn vị và cá nhân trong cũng như ngoài trường. Xin được bày tỏ lòng tri ân chân thành và sâu sắc. Sau thời gian học tập và nghiên cứu, với sự giúp đỡ tận tình của quý Thầy Cô và các bạn đồng sự, tôi đã hoàn thành luận án tiến sĩ. Có được kết quả này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGs. Ts. Trần Thanh Trúc và PGs. Ts. Lê Thị Minh Thủy, cảm ơn hai Cô đã tin tưởng và nhận em thực hiện nghiên cứu sinh với hai Cô. Chính nhờ sự hỗ trợ, hướng dẫn tận tâm, cùng các kiến thức, kinh nghiệm vô cùng quý báu mà hai Cô đã truyền đạt trong suốt tiến trình học tập đã giúp em thuận lợi thực hiện nghiên cứu. Cảm ơn hai Cô đã giúp em có được định hướng đúng đắn ngay từ ban đầu, kiểm tra, đánh giá tiến độ thực hiện để giúp em có thể hoàn thành tốt luận án tiến sĩ. Em xin gửi lời cảm ơn đến Gs. Nguyễn Văn Mười, Thầy đã đóng góp ý kiến nhằm đưa ra các phương hướng thảo luận kết quả trong suốt quá trình thực hiện luận án. Em xin được gởi lời tri ân chân thành nhất đến tất cả quý Thầy Cô thuộc Bộ môn Công nghệ thực phẩm – những người Thầy, người Cô luôn tận tâm truyền đạt kinh nghiệm quý báu và niềm đam mê nghiên cứu, cũng như luôn luôn giúp đỡ em trong suốt chặn đường nghiên cứu gian nan và khó nhọc. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ts. Trần Chí Nhân và Ts. Nguyễn Nhật Minh Phương phụ trách công tác Sau đại học của Bộ môn Công nghệ thực phẩm, Ban Lãnh đạo Viện Công nghệ Sinh học và Thực phẩm, Ban chủ nhiệm Khoa Sau đại học và quý Thầy Cô thuộc Khoa Sau đại học, Trường Đại học Cần Thơ đã luôn hỗ trợ, giúp đỡ em trong quá trình học. Đối với bản thân, Trường Đại học Cần Thơ là nơi gắn liền với bao kỷ niệm tuổi trẻ, tình yêu và hoài bão, là nơi nâng bước em từ một sinh viên đến hiện tại là một Nghiên cứu sinh. Đồng thời, là nơi gắn bó với sự nghiệp giảng dạy của mình. Xin cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Cần Thơ đã luôn tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu tại Trường. Em xin được gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô thuộc Bộ môn Công nghệ thực phẩm, Viện Công nghệ Sinh học và Thực phẩm, quý Thầy Cô thuộc Khoa Khoa học và Công nghệ Chế biến Thủy sản, Trường Thủy sản, Trường Đại học Cần Thơ đã nhiệt tình hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn các anh chị, các bạn Nghiên cứu sinh ngành Công nghệ Thực phẩm các Khóa 2020, 2021 các bạn sinh viên ngành Công nghệ Chế biến Thủy sản khóa 43, 44, 45 làm việc tại phòng thí nghiệm Chế biến Thủy sản, Khoa Khoa học và Công nghệ Chế biến Thủy sản, Trường Thủy sản, Trường Đại học Cần Thơ; Các bạn sinh viên và nghiên cứu viên phòng thí nghiệm 1006 Bộ môn Công nghệ thực phẩm, iii TÓM TẮT Phụ phẩm cá lóc chứa hàm lượng protein tương đối cao, là nguồn nguyên liệu rẻ tiền và giàu dinh dưỡng. Việc xác định các thông số kỹ thuật và tối ưu hóa quá trình thu nhận protein từ đầu, da và vảy cá lóc bằng công nghệ enzyme và kỹ thuật chiết tách để sản xuất các chế phẩm giàu protein như bột đạm thủy phân và collagen; đồng thời ứng dụng các chế phẩm protein trong sản xuất sản phẩm bột súp rau củ và nước ép giàu collagen đã được thực hiện là cần thiết, mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. Từ nghiên cứu đã thu được những kết quả như sau: (1) Nguyên liệu đầu cá lóc vẫn đảm bảo chất lượng trong 3 tháng bảo quản lạnh đông ở -20±2°C thông qua các chỉ tiêu độ ẩm, pH, PV, TVB-N và tổng vi khuẩn hiếu khí. Tuy nhiên, hiệu suất thủy phân (DH) bằng alcalase, hiệu suất thu hồi protein (PR) cao và ổn định khi đầu cá lóc được bảo quản lạnh đông tối đa 2 tháng. Đầu cá lóc không tiền xử lý loại lipid trước khi thủy phân bằng alcalase cho hiệu suất tách lipid, DH, PR và hàm lượng đạm amin (Naa) đều cao, có giá trị tương ứng lần lượt là 78,4%; 38,5%; 48,7% và 11,6 g/L, trong khi hàm lượng đạm ammoniac thấp 0,249 g/L. Bên cạnh đó, da cá lóc được tiền xử lý bằng dung dịch 0,1 M NaOH trong 6 giờ thì hàm lượng protein còn lại thấp là 24,5% với hiệu quả loại protein phi collagen cao đạt 25,7%. Trong khi đó, vảy cá lóc được khử khoáng trong dung dịch EDTA-2Na có nồng độ 0,8 M trong 24 giờ thì hàm lượng khoáng còn lại thấp 1,99% và hiệu quả khử khoáng lên đến 92,8%; (2) Quá trình thủy phân đầu cá lóc để thu hồi protein hoàn toàn có thể thực hiện với việc sử dụng flavourzyme và alcalase. Điều kiện thủy phân bằng flavourzyme thích hợp nhất là nồng độ enzyme 120 U/g protein trong thời gian thủy phân 30 giờ và nhiệt độ 50oC cho DH, PR và Naa cao tương ứng là 39,1%; 49,9% và 6,49 g/L. Trong khi đó, điều kiện thích hợp cho alcalase hoạt động là nồng độ enzyme 40 U/g protein và thời gian thủy phân 30 giờ ở nhiệt độ 50oC với giá trị DH, PR và Naa cao lần lượt là 40,8%; 50,2% và 13,0 g/L. Khi kết hợp đồng thời alcalase và flavourzyme, điều kiện thủy phân đầu cá lóc tối ưu là ở nhiệt độ 56°C trong thời gian 30 giờ, pH 7 và nồng độ enzyme alcalase và flavourzyme kết hợp đồng thời là 179 U/g protein cho DH, PR và Naa cao tương ứng là 50,29%; 65,43% và 13,09 g/L. Việc tối ưu hóa bằng phương pháp bề mặt đáp ứng cho thấy, có thể nâng cao khả năng thu hồi protein từ đầu cá lóc theo trình tự bổ sung alcalase (nồng độ là 51 U/g protein) trước và flavourzyme (nồng độ là 112 U/g protein) sau, vào thời điểm bổ sung flavourzyme là 8,5 giờ và thời gian thủy phân là 33 giờ cho giá trị DH, PR và Naa cao tương ứng là 53,05%; 66,68% và 14,01 g/L. Giá trị DH, PR và Naa cao nhất và vị đắng của dịch đạm thủy phân thấp nhất (1,86 điểm), tổng hàm lượng amino acid và tổng hàm lượng amino acid thiết yếu của bột đạm thủy phân cao nhất lần lượt là 80,59 g/100 g bột đạm và 24,56 g/100 g bột đạm khi protein từ đầu cá lóc được thủy phân theo trình tự bổ sung alcalase trước và flavourzyme sau. Peptide có khối lượng phân tử nhỏ hơn 3 kDa chiếm 82,8% với điểm cảm quan về vị đắng rất yếu là 1,42 điểm khi dịch đạm thủy phân từ đầu cá lóc được lọc màng Amicon – Millipore với kích thước màng lọc 3 kDa. Để tiết kiệm chi phí lọc màng, dịch đạm thủy phân không lọc màng có điểm cảm quan về vị đắng yếu 1,86 iv điểm được sử dụng để sản xuất bột đạm thủy phân; (3) Sử dụng dung dịch 0,6 M acetic acid để chiết tách collagen từ hỗn hợp da-vảy cá lóc trong thời gian 3 ngày cho hiệu suất thu hồi collagen là 3,18% và màu sắc sáng với giá trị L* là 83,6. Bằng cách bổ sung pepsin với nồng độ enzyme là 0,1% (pha trong dung dịch đệm 0,6 M acetic acid) trong thời gian chiết tách 2 ngày có thể cải thiện hiệu suất thu hồi collagen lên đến 20,8% và màu sắc sáng với giá trị L* là 87,9. Cả 2 mẫu collagen thành phẩm tốt nhất được chiết tách bằng acetic acid và pepsin đều thuộc collagen loại I thông qua kết quả phân tích điện di protein SDS-PAGE, hàm lượng amino acid và phổ FTIR, có độ hòa tan tốt ở pH 2 và nồng độ NaCl nhỏ hơn 0,4 M. Collagen được chiết tách bằng acetic acid có hàm lượng imino acid (proline và hydroxyproline) là 22,6% và nhiệt độ biến tính là 35,78°C, trong khi hàm lượng imino acid là 20% và nhiệt độ biến tính là 34,09°C đối với collagen được chiết tách bằng pepsin. Collagen thành phẩm từ hỗn hợp da-vảy cá lóc chiết tách bằng pepsin được thủy phân bằng alcalase với nồng độ enzyme là 2% trong thời gian thủy phân là 3 giờ cho hiệu suất thu hồi collagen thủy phân và độ nhớt lần lượt là 98,6% và 7,01 mPa.s; (4) Thời hạn sử dụng sản phẩm bột đạm thủy phân được dự đoán bằng phương pháp gia tốc cho hạn sử dụng là 10,3 tháng ở điều kiện bảo quản là nhiệt độ không khí 30oC và độ ẩm tương đối của không khí 70%. Sản phẩm bột súp rau củ đạt giá trị cảm quan tốt (18,6 điểm) và cân bằng dinh dưỡng với hàm lượng protein, lipid, carbohydrate và năng lượng cung cấp đạt lần lượt là 10,1%; 4,42%; 67,8% và 351,4 kcal/100 g, khi phối trộn 8% bột đạm thủy phân từ đầu cá lóc và 24,9% bột kem béo thực vật. Sản phẩm nước ép dâu tằm giàu collagen có điểm cảm quan, giá trị DPPH và hàm lượng protein hòa tan cao với giá trị tương ứng lần lượt là 17,9 điểm; 60,1% và 26,5 mg/mL khi bổ sung 2% collagen thủy phân từ hỗn hợp da-vảy cá lóc vào nước ép. Các kết quả nghiên cứu đã đóng góp dữ liệu khoa học về giải pháp tận dụng nguồn protein từ phụ phẩm cá lóc để tạo các chế phẩm protein cũng như cho thấy khả năng phát triển các sản phẩm thực phẩm từ chế phẩm protein. Từ khóa: Alcalase, chiết tách, collagen, flavourzyme, phụ phẩm cá lóc, thủy phân. v ASTRACT Snakehead by-products with relatively high protein content are cheap resource and nutritional materials. Therefore, determination of the technical parameters and optimization of the protein recovery process from snakehead heads, skins sand scales were conducted by using enzyme technology and extraction technique to produce rich- protein products such as hydrolyzed protein powder and collagen. Simultaneously, the application of rich-protein products in the production of vegetable soup powders and rich-collagen juices has been performed very necessary, high scientific and practical significance. Results achieved from the research have been summarized as following: (1) Snakehead heads still maintained good quality within 3 months stored at -20±2oC through moisture content, pH, PV, TVB-N and total aerobic bacteria. However, the degree of hydrolysis (DH) by using alcalase and protein recovery (PR) were high and stable as storing snakehead heads at -20±2oC for up to 2 months. Snakehead heads weren’t pre-treatment to remove lipid before hydrolysing by using alcalase gave high lipid removing efficiency, DH, PR and amino acid content (Naa) of 78.4%, 38.5%, 48.7% and 11.6 g/L, respectively whereas low ammonia content of 0.249 g/L. Besides, pretreating fish skins in 0.1 M NaOH solution for 6 hours achieved low protein content of 24.5% and non-collagen protein removement efficiency reached to 25.7%. Meanwhile, low mineral content of 1.99% and high mineral removement efficiency of 92.8% when snakehead scales were demineralized in 0.8 M EDTA-2Na solution for 24 hours; (2) The hydrolysis of snakehead head for protein recovery was able to perform by using flavourzyme and alcalase. The most suitable hydrolysis conditions for flavourzyme with enzyme concentration of 120 U/g protein, hydrolysis time of 30 hours and temperature of 50oC gave high DH, PR and Naa of 39.1 %, 49.9% and 6.49 g/L, respectively. Meanwhile, the enzyme concentration of 40 U/g of protein and the hydrolysis time of 30 hours at 50oC was suitable for alcalase to obtain high DH, PR and Naa of 40.8%, 50.2% and 13.0 g/L, respectively. When combining alcalase and flavourzyme with the optimum hydrolysis conditions for snakehead head at 56°C for 30 hours, pH 7, alcalase and flavourzyme concentration of 179 U/g protein achieved high DH, PR and Naa of 50.29%, 65.43% and 13.09 g/L, respectively. The optimization by the response surface method showed that it is possible to improve hydrolyzed protein recovery from snakehead fish by adding alcalase (concentration of 51 U/g protein) first and flavourzyme (concentration of 112 U/g protein) after, at the flavourzyme addition time of 8.5 hours and hydrolysis time of 33 hours, which gave the high DH, PR and Naa of 53.05%, 66.68% and 14.01 g/L, respectively. Snakehead heads were hydrolyzed by adding alcalase first and flavourzyme after gave the highest DH, PR, Naa and lowest bitter taste score in hydrolysate (1.86 points), the highest total amino acid and total essential amino acid contents of 80.59 g/100 g powder and 24.56 g/100 g powder, respectively. Peptides with molecular weight less than 3 kDa accounted for 82.8% with a very weak bitter taste score of 1.42 points when protein hydrolysate from snakehead vi heads was filtered with an Amicon - Millipore membrane with filter size 3 kDa. The unfiltered protein hydrlysate with a weak bitter taste score of 1.86 points was used to produce hydrolyzed protein powder (HPP) to save cost of membrane filtration; (3) Collagen extraction from skins and scales mixtures of snakehead fish in 0.6 M acetic acid solution for 3 days gave collagen yield of 3.18% and bright color with L* value of 83.6. Besides, extracting collagen from snakehead skins and scales mixtures in 0.1% pepsin (preparing in 0.6 M acetic acid solution) for 2 days gave high collagen yield of 20.8% with light color (L*= 87.9). Both of collagen products producing by acetic acid and pepsin were identified as type I collagen throught SDS-PAGE profile, amino acid composition, FTIR and the maximal solubility at pH 2 and NaCl concentration < 0.4 M. Collagen product producing by acetic acid had imino acid content (proline and hydroxyproline) of 22.6% and denaturation temperature of 35.78°C, whereas imino acid content of 20% and denaturation temperature of 34.09°C as collagen product producing by pepsin. Hydrolyzing collagen from snakehead scale and skin mixtures by using alcalase with enzyme concentration of 2% for 3 hours gave the highest hydrolyzed collagen yield of 98.6% and viscosity of 7.01 mPa.s; (4) The shelf life of HPP was predicted by accelerated shelf-life testing method (ASLT) of 10.3 months at storage conditions such as storage temperature of 30oC and humidity of 70%. Application of HPP from snakehead heads to produce vegetable soup powder with good sensory value (18.6 points) and nutritional balance with protein, lipid, carbohydrate content and energy of 10.1%; 4.42%, 67.8% and 351.4 kcal/100 g, respectively when mixing 8% HPP from snakehead head and 24.9% vegetable fat cream powder. The rich-collagen mulberry juice product had high sensory score, DPPH value and soluble protein content of 17.9 points, 60.1% and 26.5 mg/mL, respectively when adding 2% hydrolyzed collagen from snakehead scale and skin mixtures into the mulberry juice. The research had contributed to scientific data on the solution for utilizing protein sources from snakehead by- products to produce protein products as well as showing the possibility of developing food products from protein products. Keywords: Alcalase, collagen, extraction, flavourzyme, hydrolysis, snakehead by-products. viii MỤC LỤC Tóm tắt ............................................................................................................................... iii Astract ................................................................................................................................. v Lời cam đoan .................................................................................................................... vii Danh sách bảng................................................................................................................. xi Danh sách hình ................................................................................................................. xi Danh sách từ viết tắt ....................................................................................................... xv Chương 1: Giới thiệu ........................................................................................................ 1 1.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................. 1 1.2 Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................. 2 1.2.1 Mục tiêu chung .................................................................................................. 2 1.2.2 Mục tiêu cụ thể .................................................................................................. 2 1.3 Nội dung nghiên cứu ............................................................................................ 2 1.4 Đối tượng và phạm vi nguyên cứu ....................................................................... 3 1.5 Ý nghĩa của luận án .............................................................................................. 3 1.6 Điểm mới của luận án ........................................................................................... 3 Chương 2: Tổng quan tài liệu ........................................................................................ 4 2.1 Giới thiệu về cá lóc và phụ phẩm cá .................................................................... 4 2.1.1 Sơ lược về cá lóc (Channa striata) .................................................................... 4 2.1.2 Thành phần dinh dưỡng của thịt và phụ phẩm cá lóc ........................................ 5 2.1.3 Phụ phẩm cá trong quá trình chế biến ............................................................... 7 2.2 Nguyên lý các quá trình tiền xử lý phụ phẩm cá .................................................. 9 2.2.1 Quá trình tiền xử lý loại lipid từ phụ phẩm cá .................................................. 9 2.2.2 Quá trình xử lý loại các hợp chất phi collagen từ phụ phẩm cá ...................... 11 2.2.3 Quá trình xử lý loại khoáng từ phụ phẩm cá ................................................... 12 2.3 Enzyme protease thương mại và ứng dụng thủy phân protein ........................... 13 2.3.1 Alcalase ........................................................................................................... 13 2.3.2 Flavourzyme .................................................................................................... 13 2.3.3 Hiệu suất thủy phân và hiệu suất thu hồi protein ............................................ 15 2.3.4 Đặc tính dinh dưỡng của bột đạm thủy phân từ phụ phẩm thủy sản ............... 15 2.3.5 Ứng dụng bột đạm thủy phân trong sản xuất sản phẩm thực phẩm ................ 17 2.4 Quá trình chiết tách collagen từ phụ phẩm cá .................................................... 18 2.4.1 Sơ lược về collagen ......................................................................................... 18 2.4.2 Quá trình chiết tách collagen ........................................................................... 19 2.4.3 Collagen thủy phân và ứng dụng trong sản xuất đồ uống giàu collagen ........ 21 2.5 Nghiên cứu trong và ngoài nước ........................................................................ 22 2.5.1 Nghiên cứu về thủy phân protein bằng protease ............................................. 22 2.5.2 Nghiên cứu về chiết tách collagen ................................................................... 25 Chương 3: Phương pháp nghiên cứu.......................................................................... 27 3.1 Phương tiện nghiên cứu ...................................................................................... 27 ix 3.1.1 Địa điểm và thời gian thí nghiệm .................................................................... 27 3.1.2 Dụng cụ, thiết bị .............................................................................................. 27 3.1.3 Enzyme và hóa chất ......................................................................................... 28 3.2 Nguyên liệu và chuẩn bị nguyên liệu ................................................