Thông tin kết quả nhiệm vụ KH&CN

Nghiên cứu xây dựng quy trình tách chiết collagen từ sứa (12/06/2024)

Collagen là protein dạng sợi có trong tất cả các mô và là protein phong phú nhất ở động vật đa bào. Collagen chiếm 25-30% tổng số protein trong cơ thể động vật nói chung và con người nói riêng, là thành phần cấu trúc chính của chất nền ngoại bào của tất cả các mô liên kết, từ da, xương, dây chằng, gân và sụn, cũng như mô đệm của tất cả các cơ quan nhu mô, giúp làm tăng độ bền cơ học và chức năng sinh lý của tế bào và cơ. Do vậy, collagen đã được ứng dụng rộng rãi từ rất lâu như một nguyên liệu quan trọng trong ngành y dược, mỹ phẩm và thực phẩm với giá trị kinh tế lớn. Thị trường nguyên liệu collagen toàn cầu dự báo có khả năng đạt tốc độ tăng trưởng kép 10,4% hàng năm trong khoảng từ năm 2017 đến năm 2025. Tuy nhiên, hiện nay, nguyên liệu sản xuất collagen chủ yếu lấy từ xương và da của lợn và trâu bò và không đủ nguồn cung. Trong khi đó, collagen được tách chiết từ nguồn tài nguyên biển, trong đó có sứa, có nhiều ưu việt hơn lại ít được nghiên cứu sử dụng. Hải Phòng là ngư trường chính phân bố loài sứa Rhopilema Hispidum, đây là nguồn cung cấp collagen phong phú nếu biết tận dụng. Tại Việt Nam nói chung, Hải Phòng nói riêng chưa có nghiên cứu nào tách chiết collagen từ sứa. Thực trạng này là cơ sở để nhóm nghiên cứu Viện Tài nguyên và Môi trường biển đề xuất và triển khai đề tài Nghiên cứu xây dựng quy trình tách chiết collagen từ sứa Rhopilema Hispidum (Vanhoffen, 1888) tại Hải Phòng. Đề tài do TS. Phạm Thế Thư làm chủ nhiệm.

Sứa Rhopilema Hispidum.

Triển khai đề tài, nhóm nghiên cứu tiến hành thử nghiệm và xử lý nguyên liệu (sứa tươi, sứa muối). Với sứa tươi, kỹ thuật xử lý nguyên liệu sứa gồm các công đoạn: cắt nhỏ; bể quay đánh nhớt trong 0,5 ngày; muối lần 1 với tỷ lệ khối lượng sứa và muối là 20:1 trong vòng 2 ngày; muối lần 2 tỷ lệ khối lượng sứa và muối là 25:3 trong 5 ngày; muối lần 3 với tỷ lệ khối lượng sứa và muối là 25:3 trong vòng 7 ngày; sau đó để ráo nước, bảo quản trong bể và kho mát. Kỹ thuật này được đánh giá có nhiều ưu điểm hơn phương pháp xử lý nguyên liệu truyền thống do rút ngắn thời gian xử lý tới hơn 20 ngày; tốn ít chi phí, nhân công và vật tư tiêu hao. Với sứa muối đang được bảo quản ở dung dịch có độ mặn 20-30%, cần loại bỏ độ mặn này phục vụ quá trình tách chiết collagen. Theo đó, nhóm nghiên cứu ngâm sứa muối vào nước ngọt tỷ lệ 1:5, ngâm khuấy và không khuấy, sau mỗi giờ ngâm được đo độ mặn và thay nước mới. Kết quả cho thấy, sau 1-5 giờ, cả 2 phương pháp ngâm khuấy và không khuấy đều đạt chỉ tiêu độ mặn có thể tách chiết collagen, tuy nhiên ngâm khuấy đạt hiệu quả nhanh hơn. Trong quá trình đánh giá các chỉ tiêu chất lượng sứa, nhóm nghiên cứu cũng nhận thấy, sứa muối có thành phần protein từ 3-4% cao hơn sứa tươi (đạt gần 2%), cho thấy sứa muối có nhiều ưu việt hơn khi sử dụng làm nguyên liệu tách chiết collagen. Mặt khác, chỉ số pH của sứa muối cũng có xu hướng giảm từ 6 xuống 4-5 trong quá trình xử lý nguyên liệu, có ý nghĩa lớn trong công tác bảo quản nguyên liệu, kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật. 

Để loại bỏ tạp chất phi collagen như lipit, khoáng, sắc tố… trong nguyên liệu sứa, nhóm nghiên cứu sử dụng NaOH nồng độ 0,1M, với tỷ lệ khối lượng sứa và thể tích dung dịch NaOH 1:2, thời gian ngâm 24 giờ cho hiệu quả tách chiết cao nhất. Với việc sử dụng C₂H₅OH các nồng độ 0,2M, 0,1M và 0,5M trong thí nghiệm không cho kết quả khác biệt rõ rệt trong việc loại bỏ tạp chất phi collagen, tuy nhiên nhóm nghiên cứu nhận thấy, tỷ lệ khối lượng sứa và tỷ lệ dung tích C₂H₅OH 1:3 trong thời gian 24 giờ có thể được sử dụng để xử lý nguyên liệu sứa sau bước xử lý bằng dung dịch NaOH nhằm loại bỏ hết tạp chất phi collagen trước khi tiến hành các bước tiếp theo.

Sơ đồ hóa các bước xây dựng quy trình tách chiết collagen từ sứa Rhopilema hispidum ở Hải Phòng.

Sau bước xử lý nguyên liệu, nhóm tác giả đề tài tiến hành nghiên cứu xác định công nghệ và điều kiện tối ưu trong tách chiết collagen từ sứa và tiến hành tách chiết. Với công nghệ hóa học sử dụng axit axetic CH₃COOH, nhóm nghiên cứu nhận thấy, nồng độ 0,5M, tỷ lệ sứa: Dung dịch đạt 1:3, thời gian ngâm tách 5 ngày cho hiệu suất tách chiết collagen đạt hiệu quả cao nhất. Công nghệ sinh học sử dụng enzyme pepsin, các thông số cho hiệu quả cao nhất gồm: nồng độ 0,1%; tỷ lệ khối lượng sứa: dung môi là 1:3; thời gian ngâm tách 24 giờ. Với công nghệ vật lý sử dụng sóng siêu âm, cường độ sóng tại 40kHz, thời gian chiếu sóng 15 phút cho hiệu suất tách chiết cao. Với công nghệ kết hợp hóa học - sinh học - vật lý, nhóm nhiên cứu nhận thấy, sự kết hợp giữa các phương thức không có sự khác biệt lớn, tuy nhiên điểm đáng lưu ý từ các kết quả nghiên cứu chỉ ra, enzyme pepsin có vai trò đặc biệt quan trọng, cho hiệu quả cao nhất trong quá trình tách chiết collagen từ sứa.

Như vậy, công nghệ sinh học sử dụng enzyme pepsin cho hiệu quả tách chiết cao nhất so với các công nghệ được nghiên cứu. Với hơn 100mg bột collagen khô, hơn 100mg bột collagen ướt và hơn 100mg dung dịch collagen nồng độ 30mg/ml thu được, sản phẩm collagen tách chiết chủ yếu là protein, chiếm tới 89%, tiếp đến là hàm lượng carbohydrate và tro. Đặc biệt, trong thành phần của collagen không phát hiện lipit.

Để xác định, đánh giá chất lượng và độ an toàn sản phẩm collagen tách chiết từ sứa, nhóm tác giả sử dụng kính hiển vi quét - SEM và nhận thấy, chất lượng ở mức độ cấu trúc hiển vi của bột collagen được tách chiết từ sứa biển tương tự với một số collagen được tách chiết từ các nguyên liệu khác đã được xác định. Đánh giá chất lượng qua phổ phân tử - FTIR cho thấy có sự tương đồng và nằm trong dải chất lượng phổ phân tử của collagen từ các nguyên liệu khác. Xác định chất lượng sản phẩm collagen thông qua thành phần và số lượng phân tử cũng cho kết quả độ tinh khiết của mẫu collagen nghiên cứu tương đối tốt, đặc biệt ở phương thức sử dụng enzyme pepsin. Chất lượng sản phẩm collagen tách chiết từ sứa tốt hơn so với các sản phẩm collagen được tách chiết từ các nguồn nguyên liệu khác thông qua nghiên cứu đánh giá thành phần và số lượng axit amine. Điều này cũng chỉ ra, collagen được tách chiết từ sứa có khả năng ứng dụng nhiều hơn trong các lĩnh vực khác nhau. Về độ an toàn, từ các nghiên cứu khác nhau và trên cơ sở các đặc điểm chất lượng khác của sản phẩm collagen tách chiết từ sứa, các chỉ tiêu vi sinh vật trong sản phẩm collagen đều nằm trong ngưỡng an toàn theo quy định của Cục an toàn thực phẩm (Bộ Y tế).

Từ các nghiên cứu trên, nhóm nghiên cứu đề xuất 03 quy trình công nghệ tách chiết collagen từ sứa gồm: Quy trình 1 tách chiết collagen từ sứa bằng CH₃COOH; quy trình 2 tách chiết collagen từ sứa kết hợp sóng siêu âm; quy trình 3 tách chiết collagen từ sứa kết hợp enzyme pepsin. Các công đoạn chủ yếu của 03 quy trình gồm: sơ chế; xả mặn; ngâm NaOH loại tạp chất phi collagen; tách chiết bằng các phương pháp tương ứng với 3 quy trình; ly tâm thu dịch; tủa, ly tâm thu tủa; tinh sạch - thẩm tách; đông khô. Kết quả hiệu suất thu được từ các quy trình lần lượt là: 60,5%; 72,46% và 91,95%. Nhóm nghiên cứu đánh giá, hiệu suất tách chiết collagen bằng công nghệ sinh học sử dụng enzyme pepsin có nhiều ưu việt cho phát triển ứng dụng.

Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở để nhóm nghiên cứu phát triển giai đoạn 2, với việc ứng dụng các quy trình này để sản xuất collagen từ sứa biển ở quy mô công nghiệp, từ đó phát triển các sản phẩm ứng dụng collagen được tách chiết từ sứa và thị trường hóa các sản phẩm.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Dự án tại Trung tâm Thông tin, Thống kê KH&CN Hải Phòng./.