Đồ Án Nghiên cứu sản xuất và ứng dụng của collagen

CHƯƠNG 1: COLLAGEN
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ COLLAGEN
1.1.1 Khái quát về Collagen [2]
v Collagen là một protein có cấu trúc bậc 4 điển hình, do các đơn vị tropocollagen
cấu trúc bậc 3 tổ hợp theo các hướng dọc và ngang làm collagen có nhiều mức cấu trúc. Collagen là loại protein cấu trúc chính yếu, chiếm khoảng 25% - 35% tổng lượng protein trong cơ thể ở các động vật có xương sống. Collagen được phân bố trong các bộ phận như da, cơ, gân, sụn, răng, hệ thống mạch máu của động vật và có mặt trong các lớp màng liên kết bao quanh các cơ và là thành phần chính của dây chằng và gân, . Khoảng 10% protein trong cơ ở động vật có vú là collagen, các protein ngoại bào (hơn 90% trong gân, xương và khoảng 50% trong da) có chứa collagen.
v Trong thành phần của da, collagen chiếm khoảng 70% cấu trúc da và được phân
bố chủ yếu ở lớp hạ bì của da, tạo ra một hệ thống nâng đỡ, hỗ trợ các đặc tính cơ học của da như : sức căng, độ đàn hồi, duy trì độ ẩm, . Nó đóng vai trò kết nối tế bào, kích thích quá trình trao đổi chất, tạo độ đàn hồi cho da. Sự suy giảm về số lượng và chất lượng collagen sẽ dẫn đến hậu quả lão hóa của cơ thể mà sự thay đổi trên làn da, khuôn mặt là dấu hiệu dễ nhận biết nhất: làn da bị khô, nhăn nheo bắt đầu từ các đường nhăn mảnh trên khóe mắt, khóe miệng, lâu dần thành nếp nhăn sâu, các đường nét khuôn mặt bị chùng nhão và chảy xệ. Tùy theo từng độ tuổi, điều kiện sống và tác động của môi trường, da có thể bị lão hóa hoặc tổn thương , khi đó sợi collagen sẽ mất dần tính đàn hồi và săn chắc do cấu trúc collagen bị phá hủy. Chính vì vậy mà collagen đóng vai trò là một trong những chất quan trọng hàng đầu của ngành thẩm mỹ, đặc biệt là chăm sóc da, phẫu thuật thẩm mỹ, phẫu thuật bỏng .
v Collagen cũng được phân bố ở giác mạc, và tồn tại dưới dạng tinh thể. Trong
mô cơ, collagen chiếm khoảng từ 1% đến 2%. Trong cơ thể người, collagen chiếm từ 20 – 25% protein của cơ thể.

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT COLLAGEN

Trong các công trình nghiên cứu, qui trình thu nhận collagen gồm 3 giai đoạn chính :
v Giai đoạn phá vỡ tế bào:
- Các phân tử collagen không có khả năng đi qua màng tế bào, vì vậy cần
phá vỡ cấu trúc tế bào để chuyển collagen vào dung dịch. Các biện pháp được sử dụng có thể là các biện pháp cơ học như tiến hành ngiền với bột thủy tinh hoặc cát thạch anh, sau đó tiến hành đồng hóa (homogenizator). Thiết bị này có chày thủy tinh gắn với motor quay và có thể điều chỉnh tốc độ quay theo yêu cầu. Các tế bào nằm giữa chày thủy tinh và thành cối sẽ bị phá vỡ.
- Sử dụng các dung môi hữu cơ như butanol, acetone kết hợp với các chất tẩy rửa. Các hóa chất này giúp cho việc phá vỡ các bào quan của tế bào.
v Giai đoạn tách chiết collagen:
- Sau khi phá vỡ cấu trúc tế bào, việc tách chiết collagen được tiến hành dễ
dàng hơn, collagen có thể được chiết tách bằng acid hoặc bằng enzyme, quá trình tách chiết collagen được thực hiện trong các reactor ở nhiệt độ lạnh và trong điều kiện vô trùng, kết hợp khuấy trộn liên tục để đảm bảo collagen thu được có chất lượng tốt.
v Giai đoạn tinh sạch collagen:
- Trong dịch chiết thô, ngoài collagen còn có các protein tạp, các lipid, muối khoáng, để loại các thành phần này cần sử dụng các biện pháp khác nhau.
- Để loại muối khoáng thường dùng phương pháp thẩm tích. Thẩm tích là sự khuyếch tán vi phân qua màng vốn không thấm đối với những chất keo hòa tan ( protein, một số polysaccaride .) nhưng thấm đối với các dung dịch tinh thể ( các muối của hợp chất hữu cơ có trọng lượng phân tử thấp, .). Để loại các protein tạp có thể tiến hành kết tủa phân đoạn bằng muối trung tính hoặc các dung môi hữu cơ hay dùng các phương pháp sắc ký trao đổi ion, điện di, phương pháp lọc gel,

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA COLLAGEN
v Collagen là một dạng protein cấu trúc sợi dài và hầu hết các chức năng của
nó khác với dạng dạng protein phổ biến khác như enzym. Những bó collagen hay còn gọi là những sợi collagen là thành phần chính của thể nền màng tế bào cấu tạo nên hầu hết các mô và cấu trúc bên ngoài của tế bào, nhưng collagen cũng được tìm thấy bên trong của tế bào. Collagen có cường độ kéo đứt rất lớn và là thành phần chính của băng trong y học, gân, sụn, xương, dây chằng và da. Cùng với keratin mềm, là nguyên nhân tạo ra độ dẻo dai và đang hồi của da và nếu nó thoái hóa sẽ gây ra nếp nhăn dẫn đến tuổi già. Nó tạo nên độ bền của thành mạch máu và đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển mô tế bào. Nó có trong giác mạc, thủy tinh thể của mắt. Collagen cũng được dùng trong phẫu thuật thẩm mỹ và phẫu thuật bỏng. Collagen đã thủy phân có thể đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh cân nặng, giống như protein khi ta dùng nó có cảm giác cung cấp đủ năng lượng.
v Collagen thủy phân gọi là collagen hydrolysate. Tùy theo mức độ thủy phân
mà collagen có các ứng dụng khác nhau. Collagen hydrolysate được sử dụng phổ biến trong công nghệ thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm, và công nghiệp nhiếp ảnh. Chúng được sử dụng như chất đông, chất gây lắng trong thực phẩm. Chúng được dùng như chất thay thế cao su, keo dán, xi măng, mực in lụa nhân tạo, là chất tạo kết dính trong diêm quẹt. Chúng được dùng trong bộ lọc sáng cho đèn thủy ngân,

CHƯƠNG 4: NHỮNG VẤN ĐỀ TỒN TẠI VÀ HƯỚNG TẬP TRUNG NGHIÊN CỨU GIẢI QUYẾT

Trong một số lĩnh vực ứng dụng collagen như trong các ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm, đòi hỏi chất lượng collagen khá cao, không chứa tạp chất, không chứa tro, không chứa thành phần chất béo, độ nhớt đạt yêu cầu, có trọng lượng phân tử nhất định. Chính vì vậy phải có những giải pháp kỹ thuật để xử lý các vấn đề này.
v Để loại các tạp chất ra khỏi dung dịch collagen, ta có thể sử dụng phương pháp hóa học hay khử các ion bằng màng cellophan.
v Để tinh chế được collagen có trọng lượng phân tử nhất định ta dùng phương pháp lọc gel hay tiến hành tách phân đoạn để thu collagen.
Hiện nay vấn đề được quan tâm nhất trong qui trình thu nhận collagen đó là vấn đề loại hoàn toàn chất béo ra khỏi dung dịch chứa collagen. Hiện nay các nhà khoa học đã nghiên cứu thành công qui trình sử dụng CO2 siêu tới hạn trong quá trình tinh sạch collagen.
Một chất lỏng siêu tới hạn ( Super Critical Fluid – SCF ) là bất kỳ một hợp chất nào có giá trị nhiệt độ và áp suất trên điểm tới hạn trong giản đồ pha. Trên giá trị nhiệt độ tới hạn thì phần tử khí không thể hóa lỏng ở bất kỳ áp suất nào. Áp suất tới hạn là áp suất hơi của khí tại nhiệt độ tới hạn. Trong môi trường siêu tới hạn, chỉ tồn tại một pha duy nhất gọi là fluid. Pha fluid không phải là pha khí cũng không phải pha lỏng. Nó là dạng trung gian giữa hai pha. Pha fluid này có khả năng hòa tan tương tự như chất lỏng đồng thời cũng có khả năng khuếch tán tốt như chất khí. Điểm tới hạn là điểm kết thúc cả đường cong cân bằng pha giữa hai trạng thái khí và lỏng. Vùng siêu tới hạn cho biết bằng cách sử dụng sự kết hợp giữa sự đẳng áp và thay đổi nhiệt độ, giữa sự đẳng nhiệt và thay đổi áp suất, hoàn toàn có khả năng chuyển đổi các thành phần tinh khiết từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí trong vùng và ngược lại mà không có sự chuyển pha. Chất lỏng siêu tới hạn có khả năng hòa tan như một chất lỏng và cũng có khả năng vân chuyển như một chất khí.