پروژه کارشناسی رشته علوم و صنایع غذایی گرایش تکنولوژی
ژلاتین و کلیات آن
بهار 1394
سپاس خدایی را سزاست که تا صدایش می کنم پاسخم میگوید اگرچه وقتی او مرا صدا می کند،من کاهلی می کنم
سپاس خدایی را سزاست که هرچه ازاو می طلبم عطا می کند اگرچه وقتی او درخواستی می کند من بخل می ورزم
سپاس خدایی را سزاست که هروقت بخواهم می توانم صدایش کنم و هرگاه در پی خلوتی با او باشم بی هیچ واسطه ای می توانم داشته باشم و او همیشه برآورنده خواسته های من است
سپاس خدایی را سزاست که غیر از اورا نمی خوانم و اگر بخوانم هم پاسخی نمی شنوم
سپاس خدایی را سزاست که به غیر از او دل نمی بندم و اگر ببندم هم دلم را می شکند و پشتم را خالی می کند
سپاس خدایی را سزاست که به او تکیه می کنم و او گرامی ام می دارد و دست نوازش بر سرم می کشد و به مردم تکیه نمی کنم که اگر کنم خوارم می کنند و تنهایم می گذارند
سپاس خدایی را سزاست که از من بی نیاز است اما با من دوستی می کند و به من محبت می ورزد
سپاس خدایی را سزاست که با من بردباری میک ند انگار که من هیچ گناهی نکرده ام
به گونه ای در من می نگرد انگار که هیچ خطایی از من سر نزده است
با من طوری رفتار می کند انگار که هیچ لغزشی نداشته ام.
این خدا! این خدای من است…!
به راستی ستایش برانگیز است
به حقیقت دوست داشتنی است
و به واقع سجده کردنی…..
فهرست مطالب
مقدمه و تاریخچه……………………………………………………………………………………………………………………………………………1
وِیژگی های کیفی ………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 1
منابع اصلی ژلاتین ………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 2
طبقه بندی ژلاتین ……………………………………………………………………………………………………………………………3
انواع ژلاتین در دنیا ………………………………………………………………………………………………………………………….4
نام های تجاری …………………………….. ………………………………………………………………………………………………. 4
اهمیت استراتژیکی کالا…………………………………………………………………………………………………………………. 5
مبانی شیمی …………………………………………………………………………………………………………………………………. 8
ترکیب شیمیایی و ساختار ملکولی ……………………………………………………………………………………………… 11
فرایندهای مشروط کردن و تاثیر آن بر ترکیب آمینواسیدی ژلاتین ……………………………………………………………… 13
ویژگی ژلاتین بدست آمده از منابع مختلف ……………………………………………………………………………………………. 14
ارزیابی ویژگی ها و بلوم ………………………………………………………………………………………………………… 19
استخراج ژلاتین در مقیاس آزمایشگاهی ………………………………………………………………………………………… 22
استخراج ژلاتین از پوست نمونه ماهی …………………………………………………………………………………………….. 25
روش اسیدی ………………………………………………………………………………………………………………………………….. 26
روش قلیایی ……………………………………………………………………………………………………………………………….. 27
تعیین بهترین pH (اسیدی یا قلیایی) جهت استخراج ژلاتین ………………………………………………………………………. 27
تعیین بهترین دمای استخراج ……………………………………………………………………………………………………………… 28
تولید ژلاتین از پستانداران …………………………………………………………………………………………………………. 28
روش استخراج آنزیمی …………………………………………………………………………………………………… 28
مراحل عملی پژوهش ……………………………………………………………………………………………………………………. 29
روش استخراج اسیدی …………………………………………………………………………………………………………………….. 30
مراحل عملی پژوهش ………………………………………………………………………………………………………………. 31
مراحل استخراج ژلاتین در مقیاس صنعتی ……………………………………………………………………………………………. 32
استخراج ژلاتین از کلاژن ماهی ………………………………………………………………………………………………. 33
تولید ژلاتین از پوست و استخوان گاو ……………………………………………………………………………………. 34
شرح تفصیلی مراحل تولید ژلاتین از استخوان دام ………………………………………………………………………… 35
کاربرد های ژلاتین در صنایع مختلف ………………………………………………………………………………………………………. 38
صنایع مختلف غذایی …………………………………………………………………………………………………….. 39
مصارف دارویی ژلاتین …………………………………………………………………………………………………………………. 42
مصارف صنعتی ژلاتین ………………………………………………………………………………………………………………….. 43
خاصیت پوشاندن یا ایجاد فیلم ………………………………………………………………………………………………………………… 43
سهم میزان مصرف ژلاتین در صنایع مختلف …………………………………………………………………………………………….. 44
کالاهای قابل جایگزینی …………………………………………………………………………………………………………………………… 44
نتیجه گیری …………………………………………………………………………………………………………………………………………… 45
منابع ………………………………………………………………………………………………………………………….46
ژلاتین و کلیات آن
مقدمه
تاریخچه ای از ژلاتین در گذشته:
ژلاتین تاریخچه موفق و گسترده ای دارد. در دوران باستان به عنوان یک چسب بیولوژیکی استفاده می شده است ولی در زمان حال حاضر استفاده از آن به سمت تولید صنعتی و کاربردهای متنوع رفته است. حدود 8000 سال پیش انسان های اولیه قادر بودند که از بافت های حیوانی چسب تولید کنند. در عصر ناپلئون ژلاتین اولین تجربه ای از یک رونق اقتصادی به شمار می رفت و زمانی که گوشت در بنادر توسط ارتش بریتانیا تحت محاصره بود به عنوان منبع پروتئین برای تغذیه مردم فرانسه استفاده می شد.
امروزه نیز داروسازی و صنعت عکاسی بدون حضور ژلاتین غیر قابل تصور خواهد بود. استفاده از ژلاتین برای حوزه سلامت از اوایل قرون وسطا مستند شده است. به هر حال باستان شناسان عقیده دارند که شکل خام ژلاتین زودتر مورد استفاده قرار گرفته است. تجزیه تحلیل شیمیایی و میکروبی در آزمایشگاه وایزمن از نمونه گرفته شده از یک غار در نزدیکی دریای سیاه به وضوح نشان می دهد که ساکنان عصر حجر در مورد چسب کلاژن اطلاعات زیادی داشتند و از آن برای مواد مختلف استفاده می کردند. برای قرن ها ژلاتین یک ماده لوکس بود که از آن برای آماده سازی نوعی ژله به منظور سرو غذا در بارگاه ها و کاخ های اشرافی استفاده می شد. تنها در اواخر قرن 17 دانشمندان شروع کردند به تبلیغ کیفیت تغذیه ای و فیزیولوژیکی ژلاتین (Gelatin Handbook).
پیدا شدن تکه ای از ژلاتین در مقبره ملکه Ratschesput و کشف لوحه Rekhmara در شهر قدیمی طبس شاهد بر این است که مصری ها از قرن ها پیش ژلاتین را می شناختند. گرچه ژلاتین از زمان های قدیم شناخته شده و به نام چسب استخوان معروف بود، ولی برای اولین بار در سال 1681, " پاپن" آن را به کمک دیگ معروف خود که پیشتاز اتوکلاوهای امروزی بود از جوشاندن پوست و استخوان ، تهیه نمود (چیو و ایجن، 2000 ؛ هرتل و مرنسنی2001). اولین شرکت تولیدی ژلاتین در انگلستان در سال 1745 تاسیس شد و ژلاتین عاری افزودنی ها و نگهدارنده ها به بازار عرضه شد. در سال 1814 برای اولین بار از اسید جهت نرم کردن استخوان و خارج نمودن مواد معدنی آن استفاده گردید و در سال 1888 اولین تولید صنعتی با این روش به وسیله دانشمندی از اهالی شهر لیون فرانسه به نام" Coignet" انجام گرفت و از آن زمان تاکنون صنعت تولید ژلاتین روز به روز گسترش یافته است. تبدیل ماده کلاژن محتوی بافت پیوندی (پوست و استخوان) به یک ماده تشکیل دهنده ژل و محلول که به عنوان ماده غذایی یا چسب مصرف می گردد، به ما قبل تاریخ بر می گردد ( شرکت آذین لبن، تولید کننده ژلاتین در ایران).
وِیژگی های کیفی:
ژلاتین یکی از محبوب ترین بیوپلیمرهای غذایی است که از دناتوراسیون حرارتی کلاژن, پروتئین عمده بافت پیوندی حیوانات, بدست می آید. از بیش از دو هزار سال پیش بافت پیوندی و فراورده های آن به دلیل خاصیت تشکیل ژل و چسبندگی آن توسط انسان مورد استفاده قرار گرفت (پاپ 1992). ژلاتین، ماده جامد ترد و نیمه شفافی است که بی رنگ یا زرد خیلی روشن است و معمولاً بی بو و بی مزه است. در واقع ژلاتین پروتینی مشتق شده از هیدرولیز جزئی کلاژن حیوانی موجود در پوست و استخوان حیوانات است. این ماده یکی از معدود پروتئین های مناسب جهت تولید صنعتی با استفاده از محصولات جانبی کارخانجات صنایع گوشت می باشد. این ماده به مقدار زیادی در صنایع غذایی به منظور ایجاد ژل ، ایجاد امولسیون کنندگی, ایجاد باند و قوام مناسب در محصولات مختلف استفاده می گردد. تهیه ژله های شفاف با استفاده از سفیده تخم مرغ برای تصفیه کردن، به عنوان هنر زن خانه دار و به مدت طولانی مورد توجه بود تا اینکه تولید صنعتی ژلاتین، آن را به صورت غیر ضروری درآورد. شگفت آور نیست که بسیاری از تحقیقات اخیر بر روی خصوصیات ژلاتین به وسیله متخصصان صنعت فتوگرافی است. در کتاب داروسازی آمریکا از ژلاتین به عنوان فراورده ای نام برده شده که از هیدرولیز جزئی کلاژن پوست, غضروف و استخوان حیوانات بدست می آید. ژلاتین های تجاری به طور معمول حاوی 88% پروتئین, 10% رطوبت و 2-1 % خاکستر می باشند (کیتیخاتا ناباون و همکاران 2010).
ژلاتین در صنایعی نظیر چسب سازی، صنایع نپامی، ساخت کاغذ اسکناس، رطوبت گیر و … کاربرد دارد. از چسبهای حیوانی با پایه ژلاتین برای چسباندن دو قطعه ارگانیک مانند میوه و سبزی به هم استفاده می شود. همچنین در صنایع نساجی از ژلاتین به عنوان یک ماده جهت آهار زنی، کوتینگ، تکمیل پنبه، چرم، ابریشم و پشم استفاده می شود. در صنایع کاغذسازی از ژلاتین جهت تولید کاغذهای خود کاربن استفاده می شود. بدین ترتیب که یک لایه نازک از ژلاتین بر پشت کاغذ زده می شود، این ژلاتین به صورت کپسول های بسیار ریزی می باشد که هنگامی که بر روی کاغذ فشار آورده شود، این کپسول ها شکسته شده و اثر ژلاتین بر روی کاغذ بعد می افتد که این حالت مانند این است که از کاغذ رویی، کپی گرفته شده است.
در صنعت عکاسی از ژلاتین جهت تولید کاغذ عکس (رنگی و سیاه سفید) و همچنین تولید فیلم (فیلم های 35 میلی متری، APS، فیلم برداری، رادیولوژی و …) استفاده می گردد. تاریخ استفاده از ژلاتین در عکاسی به سالهای 1870 بر می گردد و امولسیون ژلاتین جایگزین فرایند کلوئیدها گردید و به عنوان یک پیوند دهنده در محصولاتی که به نور حساس هستند استفاده شد.
منابع اصلی تولید ژلاتین
با وجود دامنه گسترده کاربردهای ژلاتین, محدودیت ها و نگرانی هایی در خصوص منابع استخراج آن وجود دارد. مهم ترین محدودیت ها ناشی از قوانین مذهبی در بین اقوام مختلف است. در اسلام و یهودیت استفاده از محصولاتی که از خوک بدست می آید ممنوع است. سایر پستانداران نیز باید مطابق قوانین مذهبی ذبح شده باشند. از سوی دیگر در جوامع هندو محصولات بدست آمده از گاو ممنوع است. همچنین با شیوع بیماری های مشترک بین انسان و دام (مانند جنون گاوی) تردید های در خصوص امکان انتقال عوامل این بیماری (پریون ها ) از طریق کلاژن و ژلاتین به وجود آمد. در نتیجه بررسی هایی برای یافتن جایگزین مناسب برای ژلاتین حاصل از پستانداران صورت گرفت که از جمله مهم ترین این جایگزین ها می توان به ژلاتین حاصل از منابع دریایی اشاره کرد (بدیعی و همکاران 2006 و معتمدزادگان و همکاران 2013).
ژلاتین امولوسیونی از نمک های نقره می سازد که در مقابل نور حساس می باشد و بنابراین نقش مهمی در توسعه سریع صنعت سینما و صنایع فوتوگرافی ایفا کرده است. ژلاتین در صنایع دیگر مانند نساجی، تهیه چسب ، کبریت سازی، مرکب چاپ، کاغذ پلی کپی، کارتن سازی و در ساخت فیلتر لامپ های جیوه ای و هم چنین به عنوان شفاف کننده اجسام نیز به کار می رود. در مورد مصارف پزشکی نیز در انعقاد خون، جانشینی برای سرم خون، پوشاننده لایه داخلی معده و روده و در تهیه محیط کشت باکتری ها استفاده می شود. ژلاتین در بسیاری از محصولات غذایی از جمله در ژله ها، بستنی، شیرینیجات، کیک ها ،دسرها، محصولات لبنی و محصولات گوشتی و نیز در محصولات غیرغذایی نظیر داروهای پزشکی و دامپزشکی و لوازم آرایشی بطور وسیع مورد استفاده قرار می گیرد. ژلاتین را می توان از منابع حرام یا حلال تهیه نمود. حلال بودن ژلاتین بستگی به ماهیت مواد خام مورد استفاده برای تولید آن دارد . بطور کلی برچسب محصول نشان دهنده منشاء ژلاتین مورد استفاده در محصول نمی باشد، بنابراین مسلمانان به طور طبیعی از مصرف محصولات حاوی ژلاتین که فاقد تاییدیه حلال باشد خودداری می کنند.
طبقه بندی ژلاتین:
ژلاتین نوع A که منحصراً از پوست خوک و یا استخوان ماهی تولید می شود و ژلاتین نوع B که از پوست گاو یا گوساله و یا از استخوان های گاو تهیه می شود. پوست و استخوان گاو که برای تهیه ژلاتین استفاده می شود، معمولاً مربوط به حیواناتی هستند که توسط غیرمسلمانان کشتار شده اند. مجاز یا غیرمجاز بودن استفاده از این نوع ژلاتین برای مسلمانان مورد بحث است . ژلاتین تهیه شده از استخوان گاوهای کشتار شده به روش ذبح شرعی نیز موجود است . ژلاتین تهیه شده از ماهی به شرطی که از ماهی هایی تهیه شده باشد که از نظر مصرف کننده مسلمان در زمره گونه های مورد قبول باشد، حلال خواهد بود . با توجه به وسعت کاربرد ژلاتین، شناخت محصولات ژلاتینی موجود در بازار و نیز توجه به حلال بودن ژلاتین مصرف شده در محصولات غذایی از اهمیت بسز ایی برخوردار است.
در طول فرآیند تولید ژلاتین، کلاژن دناتوره است و ساختار اولیه خود از دست می دهد. الیاف کلاژن تشکیل هلیکس ساختار خود را در طول گرمایش از دست داده و در حین سرد شدن تا حدودی ساختار آن بهبود می یابد. آب در زنجیره به دام افتاده و ژلاتین به شکل یک ژل ایجاد می شود.
علاوه بر پروتئین، مواد خام حاوی قند، چربی، مولکول های کوچک و یون به طور طبیعی در استخوان ها و پوست وجود دارند. با وجود تمام مراحل تصفیه، ژلاتین هنوز هم ممکن است حاوی رگه هایی از قندها، چربی ها و مولکول های دیگر با الیاف پروتئینی باشد. برخی از واکنش های با قند مانند واکنش میلارد علت رنگ قهوه ای ژلاتین در طول مراحل استخراج است و می تواند خواص ژل را تغییر دهد. در طی فرآیند تشکیل، پپتید کوچک از کلاژن نیز در ژلاتین یافت می شود. بنابراین، با توجه به فرآیند تولید و با توجه به مواد اولیه، مقداری پپتید کوچک به عنوان یک تابع از تغییر در توزیع وزن مولکولی در تغییرات ژلاتین دارد (ال Harfaoui، Djabarov، & babel ، 2007).
قدرت ژلی ژلاتین 100% در اثر حرارت قابل برگشت می باشد در کاربرد غذایی این ژل به طور کامل در دهان ذوب می شود که باعث ایجاد احساس دهانی خوشایند و آزاد شدن مولکول های آن در دهان می شود. ژلاتین بدست آمده از رشته های کلاژن ، قابل هضم ، بدون چربی، کلسترول و کربوهیدرات است و حاوی 18 نوع اسید آمینه متفاوت است و اثرات مثبت ویژه ای بر سلامت انسان دارد. ژلاتین دارای قابلیت جند عملکردی است یعنی چندین عمل را هم زمان در محصول انجام می دهد این چند عملکردی به این معنی است که ژلاتین یک ترکیب با ارزش غذایی بالا در صنایع غذایی ، دارویی و عکاسی می باشد. ایجاد واکنش های آلرژیک در مورد ژلاتین کم تر مشاهده شده است از آنجایی که ژلاتین یک پروتئین طبیعی است مصرف آن در مصارف پزشکی از قبیل کپسول های خوراکی وقرص های دارویی توصیه می شود (ثمینی ، 1389). این ماده ی با ارزش خوراکی ضد آلرژیک و افزایش دهنده ی پلاسمای خون است و برخلاف سایر کلوئیدها ارزان و دارای pH غذایی و در دسترس می باشد. تغییرات pH در مواد غذایی، وجود کاتیون ها و مواد جامد محلول اثر بر فرآیند ژلاسیون ندارند. انتخاب صحیح ژلاتین در مواد غذایی برای ایجاد بافت مناسب و ایجاد خصوصیات مختلف (قدرت ژلی ، وسیکوزیتر و انعقاد) به کاربرد خاص آن اشاره دارد.
* انواع ژلاتین در دنیا :
* Bovine gelatin
* Fish gelatin
* Porcine gelatin
* Food grade gelatin
* Edible gelatin
* Kosher fish gelatin
* Dried Fish gelatin
* Bloom fish gelatin
* HMW fish gelatin
* Isinglass
* Gelatine
* نام های تجاری مشهور :
Gel-caps
Gelatine
Puragel
Gelfoam
Gelita Sol E
Gelofusine
Gelafusal
Emagel
Gelrite
Galfskin Gelatin
Gelodan G
Knox
GX 45L404
IK (gelatin)
Grindsted G
Quickset D-4
Gelita-Collagel-Sol P
Unflavored Gelatin
Glutins
Norland Fish Gelatin
Flavorset GP-2
M-394-396
KV-3000-3029
K-16096-7598
Nikkol CCP4
Neosoft GE 82
MGP 9066
M400 (gelatin)
Margarine Gelatin
Spa Gelatin
Nittait GF 600A
Nitta 750
Gummi Gelatin P-5
Tenderset M7
Biofine P
Hausengranulat Difine
Crodyne BY-19
جدول 1- نام های تجاری مشهور ژلاتین
اهمیت استراتژیکی کالا در دنیای امروز :
امروزه با توجه به کاربردهای وسیع در صنایع مختلف و افزایش روزمره مصرف این کالا، ژلاتین از اهمیت فوق العاده ای برخوردار گردیده است و در بعضی موارد به عنوان یک کالای استراتژیک تلقی گردیده است. از آنجایی که در حال حاضر پوکه کپسول های دارویی از ژلاتین تولید می گردد و سالیانه تعداد بسیار زیادی پوکه کپسول از ژلاتین در دنیا تولید می شود، این ماده نقش مهمی را در صنایع داروسازی به خود اختصاص داده است. با توجه به محدودیت تولیدکنندگان ژلاتین و همچنین در انحصار داشتن تکنولوژی و سرمایه گذاری بالای تولید محصول، همواره صادرات این محصول به کشورهای واردکننده دارای مسائل و مشکلات خود بوده است و این کالا به عنوان یک کالای استراتژیک مورد معاملات بین المللی قرار گرفته است. البته همانطور که گفته شده، علاوه بر کاربردهای ذکر شده، ژلاتین دارای کاربردهای دیگری نیز می باشد که این خود نشان دهنده اهمیت تولید ژلاتین و نیاز به این محصول در جهان می باشد.
ژلاتین در صنایع مختلف شیمیایی، غذایی و دارویی کاربرد وسیعی دارد. از آنجایی که تعداد واحدهای تولیدکننده در سطح خاورمیانه بسیار محدود می باشند، کشورهای مذکور نیازهای خود را از کشورهای اروپایی و آمریکایی (عمدتا ژلاتین خوک) تهیه می نمایند. میزان تولید ژلاتین در سال 2010 در جهان در حدود 315000 تن بوده است که این ژلاتین از مواد اولیه مختلف تهیه گردیده است. یعنی حدود 144300 تن از پوست خوک، 89500 تن از پوست گاو و گوسفند، 76300 تن از استخوان و 4900 تن از سایر منابع مانند پوست ماهی و … . در اروپا کل تولید ژلاتین در سال 2010، در حدود 119800 تن بوده که 82450 تن از پوست خوک، 12150 تن از پوست گاو و گوسفند، 22700 تن از استخوان و حدود 2500 تن از سایر منابع تهیه گردیده است. این بدان معنا است که در اروپا درصد زیادی از ژلاتین (8/68%) از پوست خوک تهیه می شود. حدود 39 درصد ژلاتین جهان در کشورهای اروپای غربی، 22 درصد در کشورهای اروپای شرقی، 20 درصد در آمریکای شمالی، 17 درصد در آمریکای لاتین و بقیه در سایر کشورها تولید می گردد. کشورهای تولید کننده ژلاتین در اروپا عبارتند از : آلمان، فرانسه، بلژیک، سوئد، اسپانیا، ایتالیا، انگلیس، هلند، اسلواکی و لهستان.
کشورهای اسلامی منطقه، در صورتی که بتوانند ژلاتین مورد نیاز خود را از کشورهای اسلامی تولیدکننده تامین نمایند، آن را جایگزین خواهند نمود. زیرا از نظر دین اسلام، استفاده از ژلاتین خوک مجاز نمی باشد. براساس پیش بینی های کارشناسانه انجام شده، میزان نیاز ژلاتین در حال حاضر در منطقه خاورمیانه در حدود 30 هزار تن می باشد. عمده ترین تولیدکنندگان ژلاتین در آسیا، کشورهای هند، پاکستان، بنگلادش و مصر می باشد.
با توجه به انحصاری بودن تکنولوژی تولید ژلاتین، امروزه ژلاتین یک کالای استراتژیک محسوب می شود. تقاضای جهانی برای ژلاتین در تمام سال ها فزاینده بوده است. بالاترین تولید برای ژلاتین تولید شده از پوست خوک 46% – پس از آن پوست گاو 4/29% , استخوان 1/23% و سایر منابع 5/1% ذکر شده است (سعیده ابدالی, علی معتمدزادگان1390).
تولید و عرضه ژلاتین حلال نه تنها از نظر تجارت جهانی حائز اهمیت است بلکه نگرانی های مسلمانان در مورد مصرف محصولات حاوی ژلاتین را نیز بر طرف خواهد نمود. ژلاتین نسبت به پلی ساکارید ها نقطه ذوب پایین تری دارد و در اغلب مواد غذایی به کار می رود که در یخچال و دماهای پایین نگه داری می شوند. خصوصیات فیزیکوشیمیایی ژلاتین به پارامترهای مختلفی از جمله روش های فراوری و ماهیت کلاژن بستگی دارد (کریم و همکاران 2009).
کلاژن فراوان ترین پروتئین حیوانی است و حدود 30% کل پروتئین حیوانی را شامل می شود. و در تمام اعضا و بافت ها وجود دارد. البته این پروتئین به طور عمده در بافت های پیوندی یافت شده و مهم ترین ترکیب ساختمانی این بافت ها بشمار می رود (شرو و همکاران 1977). تولید ژلاتین شامل تخریب ساختار دوم و سوم و تا حدودی ساختار اول کلاژن است که به شرایط پیش تیمار و شدت فرایند استخراج بستگی دارد. تبدیل کلاژن به ژلاتین از دو مرحله اصلی پیش تیمار و استخراج تشکیل شده است.
فرایند پیش تیمار به منظور تبدیل کلژن به شکل مناسب برای استخراج لازم است ماهیت و میزان کلاژن به طور معنی داری به بافت , نوع جاندار, سن و… مرتبط است (خمینز و همکاران 2005). در حال حاضر 2 فرایند اصلی تبدیل کلاژن نامحلول به ژلاتین محلول عبارتند از:
فرایند اسیدی:
این فرایند برای استخوان احشام جوان، پوست خوک و پوست ماهی مناسب است. در طی این فرایند علاوه بر شکسته شدن اتصالات عرضی جهت جدا شدن زنجیره α، موادآلی مانند مانند پروتئوگلایکون ها، موسین، مواد قندی و… حذف می شوند. در این مرحله عموما از اسید سولفوریک، اسید کلریدریک و یا اسید فسفریک استفاده می شود (مونترو و همکاران 1990 / جانستون- بانکس 1990).
فرایند قلیایی:
هدف اصلی از این فرایند حذف مواد چرب، پروتئین های ضعیف و سایر ترکیبات الی و از بین بردن اتصالات عرضی باقی مانده در کلاژن است با توجه به نوع پیش فرایند موثر ژلاتین استخراج شده به دو نوع A (نقطه ایزوالکتریک بین 7 – 4/9) و B (نقطه ایزوالکتریک بین 5/4 -3/5) تقسیم بندی می شوند که بر اساس نقطه ایزوالکتریک آن قابل تمیز هستند.
استخراج:
صرف نظر از نوع پیش تیمار اعمال شده مراحل استخراج تقریبا یکسان بوده و شامل شست و شو، استخراج، خالص سازی، تغلیظ و خشک کردن می باشد. در طی فرایند استخراج بایستی به بهینه سازی توازن pH، دما و زمان استخراج به منظور دستیابی به حداکثر بازده و بالاترین خواص فیزیکی توجه کرد. این شرایط برای استفاده از ژلاتین در مواد غذایی که بعضا به تغییرات pH حساس هستند مانند ماست و دست یافتن به بهترین خصوصیات فیزیکی و pH انتخاب می شود. با کاهش pH بازده استخراج به حداکثر می رسد (اسماعیلی و همکاران 1389).
عموما در صنایع غذیی از ژلاتین در صنعت نانوایی برای بهبود بافت و پایداری, مانند بافت خمیر, در صنایع لبنی به منظور ایجاد بافت و پایداری مطلوب تر در تولید محصولات کم چرب (بهبود خامه ای شدن و اسانس دهانی) و در صنایع گوشتی به عنوان جاذب آب استفاده می شود. علاوه بر این با توجه به میزان پایین کالری ژلاتین توصیه می شود که در خوراکی ها به منظور افزایش سطح پروتئین استفاده شود. ژلاتین پروتئین اصلی استخوان, غضروف و پوست می باشد. بنابراین منبع، سن حیوان و نوع کلاژن از جمله فاکتورهای موثر بر خواص ژلاتین هستند و تا به امروز بیش از 27 نوع مختلف ژلاتین شناسایی شده اند. انواع متفاوت ژلاتین، خواص گرمایی و رئولوژیکی متفاوتی از قبیل دمای تبدیل به ژل، دمای ذوب و قدرت بلوم متفاوتی دارند. این خواص تحت کنترل فاکتورهایی از قبیل طول زنجیره یا توزیع وزن ملکولی، ترکیب آمینواسیدی و غیر قطبی بودن اسیدهای آمینه قرار می گیرند (shayni و همکاران 2014). ویژگی قابل توجه ژلاتین حلالیت آن در آب و ژل برگشت پذیری در مقابل حرارت است و معمولا دمای ذوب آن از دمای بدن انسان کمتر است. این ویژگی ذوب ژلاتین یکی از مهم ترین ویژگی های این پروتئین است که به طور گسترده در صنایع غذایی و دارویی مورد استفاده قرار می گیرد. (کریم و همکاران 2009).
تقاضای جهانی برای ژلاتین در طی چندین سال به دلیل هزینه پایین آن و قابلیت تحلیل در محیط بیولوژیکی افزایش یافته است (حنانی و همکاران 2012).
مبانی شیمی, اصول فیزیکی و خواص تکنولوژیکی ژلاتین:
ژلاتین یک پروتئین طبیعی نیست و از پروتئین فیبری کلاژن بدست می آید که ماده تشکیل دهنده پایه پوست، استخوان و بافت پیوندی حیوانات است. ژلاتین از هیدرولیز جزئی کلاژن حاصل می شود. کلاژن نوعی پروتئین ساختاری خارج سلولی است که در استخوان ها، تاندون ها، پوست و بافت های پیوندی موجود بوده و ژلاتین از آن تولید می شود. ساختار ملکولی کلاژن به صورت هلیکس سه تایی است و دارای ویژگی های منحصر به فردی می باشد که عمده آنها عبارتند از:
1- میزان بالای اسید امینه گلایسین( 33%)
2- میزان بالای اسید آمینه پرولین و هیدروکسی پرولین (حدود 22%)
3- وجود اسید امینه غیر معمول هیدروکسی لیزین که فقط در برخی منابع پروتئینی یافت می شود.
ژلاتین یک پلی دیسپرس کامل نیست اما دارای یک الگوی توزیع وزن ملکولی مشخص است که به زنجیره آلفا و الیگومرهای آن مربوط می شود. در محلول ژلاتین ممکن است از 1 الی 8 الیگومر و حتی بیشتر یافت شود. زنجیره های دوگانه معروف مثل زنجیره های بتا از ترکیب زنجیره های آلفا- 1 ( 1 α) آلفا- 2 ( 2 α) حاصل می شوند که ممکن است به صورت ملکول های11 β و 12 β درآیند. بعضی الگومرهای سه تایی دست نخورده باقی می مانند اما بخشی از دسته های کلاژن با اتصالات عرضی شده پهلو به پهلو و سر به انتها نیز در محلول وجود خواهند داشت (Schrieber 2007 & Gareis).
اگر بخواهیم از دیدگاه ساختاری به این هیدروکلوئید نگاه کنیم، ژلاتین یک مخلوط ناهمگن از پروتئین های محلول در آب با جرم ملکولی بالا است که از آبکافت کلاژن تهیه می شود. (Bhat & Karim, 2009). ساختار اساسی کلاژن یک مارپیچ سه تایی میله ای شکل متشکل از سه زنجیره پلی پپتیدی است (Fonkwe et al., 2003). کلاژن رایج ترین پروتئینی است که هم در جانوران و هم در انسان ها طبقه بندی می شود. کلاژن یکنواخت نیست و مجموعه ای از پروتئین هاست و تا امروز حدود 27 نوع از کلاژن شناسایی شده است.
کلاژن نوع 1 به طور گسترده ای در بافت همبند از جمله پوست استخوان ها و تاندون ها یافت می شود. کلاژن نوع 2 عملا منحصرا در بافت غضروف وجود دارد. کلاژن نوع 3 بشدت بستگی به سن دارد و پوست های بسیار جوان شامل بیشتر از 50% از این نوع کلاژن است اما به مرور زمان این مقدار می تواند به 10-5 % کاهش پیدا کند. انواع دیگر کلاژن در مقادیر کم و عمدتا در ارگان های خاصی پیدا می شوند.اسیدهای آمینه قطبی و غیر قطبی در ساختار کلاژن در نواحی ویژه ای از زنجیره قرار گرفته محل های هیدروفیل و هیدروفوب را ایجاد کرده و سبب خواص فعال سطحی منحصر به فرد کلاژن می شود ( Schrieber & Gareis, 2007).
ساختار اولیه ژلاتین تا حد زیادی مشابه کلاژن است و تفاوت های ناچیز در میان ژلاتین های مختلف مربوط به تفاوت در مواد اولیه و همچنین روش تولید آنها می باشد. اسید امینه کوچک گلایسین و اسید آمینه های حلقوی پرولین و هیدروکسی پرولین مهم ترین اسید آمینه های آن را تشکیل می دهند. سال های طولانی از وزن ملکولی متوسط برای توضیح و تفسیر جنبه های مختلف رفتار ژلاتین در محلول و ژل ها استفاده شده است. اما استفاده از وزن ملکولی متوسط کلوئیدهای پلی دیسپرس که دارای محدوده وسیعی از نظر اندازه ملکولی می باشند، در توضیح و تفسیر خواص فیزیکی مشکل و ناکافی می باشد. مواد تشکیل دهنده کلاژن حاوی همه ی 20 آمینو اسید است (Schrieber & Gareis, 2007).
با اینکه در میان کلاژن های منابع مختلف، تفاوت هایی در مواد تشکیل دهنده دیده می شود، خصوصیات خاصی وجود دارد که در میان تمام کلاژن ها مشترک است. کلاژن تنها پروتئین در پستانداران است که حاوی مقادیر زیاد پرولین و هیدروکسی پرولین است و مقدار کلی آمینو اسید ( پرولین و هیدروکسی پرولین) آن بالا است (Balian & Bowes, 1977). ساختار آمینو اسیدی ژلاتین و کلاژن بسیار شبیه است و این خصوصیت را دارد که در آن ترتیب تکرار شونده سه گانه Gly-X-Y وجود دارد، که X معمولا پرولین و Y هیدروکسی پرولین است.
کلاژن تقریبا 30 درصد کل پروتئین های حیوانی را تشکیل می دهد و در زیر میکروسکوپ به صورت فیبرهای سفید ماتی به نظر می رسد که به وسیله سایر پروتئین ها و موکوپلی ساکاریدها احاطه شده است (شرو 3 و همکاران،1977 ). فرمول بسته کلاژن به صورت C102H149N31O38 می باشد. کلاژن با مقدار بالای اسیدهای آمینه گلایسین، پرولین و هیدروکسی پرولین مشخص می شود. در مورد کلاژن یک اسید آمینه – هیدروکسی پرولین که 18- 4 % کل اسیدهای آمینه را تشکیل می دهد، اختصاصی است. عنصر اصلی در ساختمان فضایی کلاژن، تروپوکلاژن است که از سه زنجیره درهم پیچیده تشکیل شده است که با پیوندهای هیدروژنی به هم متصل می شوند. ترکیب های مختلف زنجیره های پلی پپتیدی سه تایی منجر به تشکیل انواع مختلف مولکول های تروپوکلاژن می شود. مولکول های تروپوکلاژن با پیوند شیمیایی به هم ربط پیدا می کنند و فیبریل ها را تشکیل می دهند. هرکدام از فیبریل ها با یک چهارم طول خود در راستای مولکول مجاورشان قرار گرفته و فیبرها را به وجود می آورند. این فیبرها با پیوند عرضی پایدار می شوند که این پیوند بین یک لیزین یا هیدروکسی لیزین و یک آلدئید مشتق از لیزین یا هیدروکسی لیزین بوجود می آید. تاکنون برخی از 27 نوع مختلف کلاژن شناسایی شده است و دسته بندی ساده آن در جدول 1 نشان داده شده است (اشرایبر و گریس، 20 )
نوع کلاژن
توضیحات
نوع 1
در بسیاری موارد اصولاً در بافت های رابط مانند پوست، استخوان و تاندون ها وجود دارند.
نوع 2
این نوع کلاژن ها منحصراً در بافت های غضروفی حضور دارند.
نوع 3
این نوع شدیداً وابسته به سن است: کلاژن در پوست خیلی جوان می تواند بیش از 50 درصد می باشد، اما در سنین بالاتر کاهش یافته و بین 5 تا 10 درصد است.
دیگر انواع
دیگر انواع کلاژن تنها در مقادیر کم و در اکثر بافت های خاصی یافت می شوند.
جدول 2- انواع مختلف کلاژن
کلاژن رایج ترین پروتئینی است که هم در جانوران و هم در انسان ها طبقه بندی می شود. کلاژن با ترکیب های مختلف که از گونه های مختلف بدست می آید تا حدی به به دمای محل سکونت حیوان مورد نظر ارتباط دارد. کلاژن یکنواخت نیست و مجموعه ای از پروتئین هاست و همانطور که در جدول 1 اشاره شد، کلاژن نوع 1 به طور گسترده ای در بافت همبند از جمله پوست، استخوان ها و تاندون ها یافت می شود. کلاژن نوع 2 عملا منحصرا در بافت غضروف وجود دارد. کلاژن نوع 3 بشدت بستگی به سن دارد. پوست های بسیار جوان شامل بیشتر از 50% از این نوع کلاژن است. اما به مرور زمان این مقدار می تواند به 10-5 % کاهش پیدا کند. انواع دیگر کلاژن در مقادیر کم و عمدتا در ارگان های خاصی پیدا می شوند. میزان شکستگی در ساختار کلاژن به طور عمده به سه عامل دما، زمان و pH بستگی دارد. دمای بالا و زمان طولانی در معرض حرارت قرار گرفتن سبب تسریع استخراج می شود. در حالی که افزایش دما و زمان استخراج به دلیل اجتماع توده های پروتئینی سبب تشکیل ژل کدرتر، افزایش زمان تشکیل ژل در دمای 4 درجه و کاهش خلوص ژلاتین می شود.
اسیدهای آمینه قطبی و غیر قطبی در ساختار کلاژن در نواحی ویژه ای از زنجیره قرار گرفته و محل های هیدروفیل و هیدروفوب را ایجاد کرده و سبب خواص فعال سطحی منحصر به فرد کلاژن می شوند. در طی تولید ژلاتین، مواد خام حیوانی با اسید یا قلیای رقیق تیمار می شوند که این عمل به گسستگی بافت کلاژن می انجامد، به صورتی که ژلاتین محلول در آب گرم ایجاد می شود ( Schrieber & Gareis, 2007). ساختار اولیه ژلاتین تا حد زیادی مشابه کلاژن است و تفاوت های ناچیز در میان ژلاتین های مختلف مربوط به تفاوت در مواد اولیه و همچنین روش تولید آنها می باشد. اسید امینه کوچک گلایسین و اسید آمینه های حلقوی پرولین و هیدروکسی پرولین مهم ترین اسیدآمینه های آن را تشکیل می دهند. سال های طولانی از وزن ملکولی متوسط برای توضیح و تفسیر جنبه های مختلف رفتار ژلاتین در محلول و ژل ها استفاده شده است. اما استفاده از وزن ملکولی متوسط کلوئیدهای پلی دیسپرس که دارای محدوده وسیعی از نظر اندازه ملکولی می باشند، در توضیح و تفسیر خواص فیزیکی مشکل و ناکافی می باشد.
ملکول های کلاژن که از 3 زنجیره α تشکیل شده اند ، در یک مارپیچ سه تایی به هم پیچیده اند و یک ساختار هندسی ایده آل برای پیوند های هیدروژنی درون ملکولی را شکل می دهند (Te Nijenhuis, 1997). هر زنجیر در مارپیچ در جهت پادساعت گرد می چرخد. مارپیچ سه تایی طولی در حدود nm 300 طول و وزن ملکولی حدود KDa 105 دارد (Papon, Leblon, & Meijer, 2007). مارپیچ سه تایی به وسیله پیوندهای هیدروژنی ذکر شده پایدار می شود. دناتوره شدن کلاژن سبب جدا شدن میله ها و نابودی کامل یا ناقص زنجیره به دلیل از بین رفتن پیوند های هیدروژنی می گردد که به از دست رفتن ساختار مارپیچ سه گانه می انجامد. ژلاتین صنعتی ترکیبی از مواد مختلف است: زنجیر های α ( زنجیر تک پلی مر) ، زنجیر β ( دو زنجیر α که با هم پیوند کووالانسی تشکیل داده اند) و زنجیر های γ ( سه زنجیر α که با هم پیوند کووالانسی داده اند) (Papon et al., 2007). با اینکه در میان کلاژن های منابع مختلف ، تفاوت هایی در مواد تشکیل دهنده دیده می شود، خصوصیات خاصی وجود دارد که در میان تمام کلاژن ها مشترک است. کلاژن تنها پروتئین در پستانداران است که حاوی مقادیر زیاد پرولین و هیدروکسی پرولین است و مقدار کلی آمینو اسید ( پرولین و هیدروکسی پرولین) آن بالا است (Balian & Bowes, 1977). در مطالعه Muyonga، kool & & Duodu (2004) در ژلاتین پستانداران، پرولین و هیدروکسی پرولین حدود 30٪ از اسیدهای آمینه کل را تشکیل می دهند. در حالی که همانطور که در جدول 2 نشان داده شده است, این نسبت در کار Farris، آهنگ، و هوانگ (2009) 23٪ اندازه گیری شد.
جدول3- ترکیب امینواسیدی ژلاتین در کار Farris و همکاران
ترکیب شیمیایی و ساختار ملکولی کلاژن
مانند تمام پروتئین های دیگر، کلاژن ساختارهای اولیه، دوم و سوم دارد. همچنین دارای یک ساختار چهارم شبیه دیگر پروتیئن های الیگومری و پیچیده است که با داشتن زنجیره های پلی پپتیدی مختلف و زیر واحدهای بسیار مشخص می شوند. ساختار نخست کلاژن نوع 1 حیوانات که در ساختار ژلاتین مورد استفاده قرار می گیرد متشکل از 1014 آمینواسید است که در قالب یک زنجیره با وزن ملکولی 100000 گرم بر مول دیده می شود. این به اصطلاح زنجیره a شامل 334 واحد تکراری از توالی عمومی گلایسین XY است. تنها در پایانه های انتهایی -N و -C زنجیره های کوتاهی شامل 26-15 آمینواسید هستند که با این ساختار مطابقت ندارند. گلایسین به تنهایی حدود 33% از مولفه های آمینواسیدی را شامل می شود. پرولین و هیدروکسی پرولین در کنار هم 22% را تشکیل می دهند. پرولین اغلب در موقعیت X و هیدروکسی پرولین تقریبا همیشه در موقعیت Y است. 45% باقی مانده در موقعیت های X و Y توزیع شده اند.
پرولین و هیدروکسی پرولین مسئول ساختار ثانویه منحصر به فرد کلاژن هستند. این آمینو اسید ها چرخش ستون اصلی پلی پپتیدی را محدود می کنند و در نتیجه به ثبات مارپیچ سه گانه کمک می کنند. گروه هیدروکسیل در هیدروکسی پرولین نقش مهمی در ایجاد ثبات در مارپیچ دوگانه کلاژن دارد. کلاژن نوع 1 از 3 زنجیره α که دوتای آنها مشابه اند و یکی کمی متفاوت است تشکیل شده است (ساختار اولیه). هر زنجیره α با حدود 3 آمینواسید در هر نوبت به یک مارپیچ چپ گرد پیچیده است (ساختار دوم). 3 زنجیره α سپس به دور هم در یک مارپیچ راست گرد به شکل یک طناب سفت و سخت پیچیده است. (ساختار سوم). این عوامل سه گانه ی مارپیچ نشان دهنده بلوک های ساختمانی اساسی بافت کلاژن هستند. آنها حدود nm 300 طول دارند و قطرشان حدود nm 5/1 است.
به دلیل توزیع بار این ساختارهای بنیادین در حدود یک چهارم از طول خود دارای تناوب هستند (ساختار چهارم). چهار تا هشت ملکول کلاژن در مقطع عرضی واحدی پایه را به شکلی تشکیل می دهند که در اصطلاح فیبرهای کلاژنی نامیده می شود. ساختار اصلی و کامل توسط پیوندهای کلاژنی در مقطع عرضی تثبیت شده است. بسیاری از این فیبریل های کلاژنی بعدا برای تشکیل ساختار اساسی بافت از جمله در پوست و استخوان به کار می آیند.
شکل 1، ساختار اول تا چهارم کلاژن
کلاژن از 20 آمینو اسید ساخته شده است. از بین 9 آمینو اسیدی که به عنوان آمینواسید ضروری شناخته می شوند متیونین به میزان کمی وجود دارد و ترپتوفان اصلا دیده نمی شود. سیستئین نیز گاها در بخش های نهان پوست دیده می شود که غالبا کلاژن نوع 3 را دارا هستند. کلاژن نوع 1 شامل هیچ سیستئینی نیست. این مسئله این امکان را فراهم می کند که محتوای ژلاتینی در محصول نهایی مشخص شود. برای مثال محتوای هیدروکسی پرولین برای اثرگذاری ژل بسیار مهم است.
کلاژن همچنین حاوی واحدهای کربوهیدرات است. هر دو مونوساکارید گالاکتوز و یا دی ساکارید گلوکوگالاکتوز مربوط می شوند به هیدروکسی لازین باقی مانده از گروه هیدروکسیل آمینو اسیدها. میزان گلیکولیزاسیون نسبت مونو/ دی ساکارید بستگی به نوع کلاژن و وضعیت فیزیولوزیکی آن دارد. عملکرد واحدهای کربوهیدرات هنوز به طور کامل مشخص نشده است. اما تاثیر آن در بسته های عرضی ملکول های کلاژن در فیبریل ها و قطر این فیبریل ها مورد بحث است.
در طول فرآیند تولید ژلاتین، کلاژن دناتوره است و ساختار اولیه خود از دست می دهد. الیاف کلاژن تشکیل هلیکس ساختار خود را در طول گرمایش از دست داده و در حین سرد شدن تا حدودی ساختار آن بهبود می یابد. آب در زنجیره به دام افتاده و ژلاتین به شکل یک ژل ایجاد می شود. ساختار ژلاتین از کلاژن متفاوت است زیرا در ژلاتین مارپیچ تا حدی اصلاح شده است. ساختار ژلاتین نیز در طول تشکیل ژل تغییر می کند. در واقع، با توجه به حالت ژل، زنجیرها در فضای متفاوتی هستند و فعل و انفعالات مختلف دارند. این دو ویژگی به غلظت ژلاتین، درجه حرارت و انرژی لازم برای تشکیل ساختار ثانویه بستگی دارد.
یک ساختار دو رشته ای را می توان با دو زنجیر یا با یک زنجیره و یک حلقه در نظر گرفت. به همین ترتیب، یک ساختار رشته سه گانه را می توان با سه زنجیره های مختلف تشکیل شده است، و یا توسط دو-زنجیر که یکی از آنها به شکل یک حلقه، یا با تنها یک زنجیره با دو حلقه است در نظر گرفت (گوا، کولبی، لوسیگنام، و وایتسایدز، 2003). ساختارهای تشکیل یافته تنها در صورتی که یک طول حداقل از آنها توسط پیوندهای ضعیف تثبیت شده باشند برگشت پذیر و با ثبات هستند. به عنوان مثال، وقتی یک مارپیچ بیش از حد کوچک است، به راحتی ذوب می شود. برای تثبیت شدن ساختار، طول مارپیچ با یک حلقه باید دو برابر طول مارپیچ بدون حلقه باشد. در واقع، شکل گیری ساختار با حلقه نیاز به انرژی بیشتر از زنجیر فاقد حلقه دارد.
ساختار ژلاتین با نرخ رطوبت، دما، غلظت و محتوای مواد مختلف در آن تغییر می کند. ساختار توسط توزیع وزن مولکولی زنجیره ژلاتین نیز تحت تاثیر قرار می گیرد. وزن ملکولی زنجیره کلاژن به خوبی تعریف شده است (حدود 100000 g⁄mol) . توزیع وزن مولکولی بستگی به فرآیند تولید ژلاتین که باعث تخریب مولکول کلاژن می شود، دارد Elharfaoui et al. 2007)). مواد خام مورد استفاده نیز طیف وسیعی را در تعیین وزن مولکولی در محصول نهایی تشکیل می دهند. در واقع، کلاژن پوست گاو، خوک و استخوان ماهی توزیع وزن مولکولی متفاوتی دارند. سن حیوانات نیز یک مقوله تاثیرگذار و دارای نفوذ است. کلاژن حیوانات مسن تر دارای کراس لینک (پیوندهای عرضی متقاطع) بیشتری از حیوانات جوان است.
علاوه بر پروتئین، مواد خام حاوی قند، چربی، مولکول های کوچک و یون به طور طبیعی در استخوان ها و پوست وجود دارند. با وجود تمام مراحل تصفیه، ژلاتین هنوز هم ممکن است حاوی رگه هایی از قندها، چربی ها و مولکول های دیگر با الیاف پروتئینی باشد. برخی از واکنش های با قند مانند واکنش میلارد علت رنگ قهوه ای ژلاتین در طول مراحل استخراج است و می تواند خواص ژل را تغییر دهد. در طی فرآیند تشکیل، پپتید کوچک از کلاژن نیز در ژلاتین یافت می شود. بنابراین، با توجه به فرآیند تولید و با توجه به مواد اولیه، مقداری پپتید کوچک به عنوان یک تابع از تغییر در توزیع وزن مولکولی در تغییرات ژلاتین دارد (ال Harfaoui، Djabarov، و Babel، 2007).
فرایندهای مشروط کردن و تاثیر آن بر ترکیب آمینواسیدی ژلاتین
کلاژن بدست آمده از حیوانات بسیار جوان در آب گرم محلول است که این خاصیت با افزایش سن حیوان از دست می رود. بخاطر اینست که ساختارهای ناپایدار به طور مداوم در حال تبدیل شدن به ساختارهای پایدار دارای کراس لینک هستند. در ساختار ژلاتین تیمار مواد اولیه ای که از حیوانات گرفته می شود با اسید رقیق یا قلیا باعث شکاف بخشی ازاین کراس لینک ها می شود. ساختار در حدی شکسته می شود که کلاژن محلول در آب گرم که ژلاتین گفته می شود شکل می گیرد. این هیدرولیز شیمیایی را می توان تکمیل کرد و یا با روش آنزیمی جایگزین کرد. آنزیم هایی خاص به نام کلاژنازها این کار را انجام می دهند که تنها کلاژنازها توانایی شکستن ساختار اساسی و اصلی کلاژن را دارند. این نوع از دناتوراسیون شیمیایی و یا بیوشیمیایی و هیدرولیز تحت عنوان فرایند مشروط کردن در صنعت ژلاتین شناخته می شود. در مراحل بعدی استخراج یعنی ذوب ژلاتین از مواد اولیه موجود یک هیدرولیز حرارتی اضافی صورت می گیرد. که این وزن ملکولی را بیشتر کاهش می دهد.
در کلاژن اصلی آمینواسیدهای اسیدی گلوتامیک اسید و آسپارتیک اسید به میزان حدود 35% به فرم آمینه شده ی گلوتامین و آسپارژین واقع می شوند. در تبدیل شدن کلاژن به ژلاتین تاثیر اسید یا قلیا و نیز انرژی حرارتی باعث می شود قطعات متفاوتی از کلاژن ایجاد شود.
هدف صنعت ژلاتین هیدرولیز کنترل شده و جزئی کراس لینک ها و پیوندهای پپتیدی در ساختار کلاژن اصلی برای بدست آوردن وزن ملکولی ایده آل ژلاتین برای استفاده های بعدی است. برای مثال ویسکوزیته محلول ژلاتین ارتباط خوبی با اجزای با وزن ملکولی بالا دارد. تحقیقات نشان می دهد فراکسیونی با وزن ملکولی پیرامون 100000 گرم بر مول در قدرت ژلی هر نوع خاص از ژلاتین دارای اهمیت زیادی است. توزیع وزن ملکولی با توجه به نوع و شدت روش های هیدرولیز تعیین می شود. در مورد قلیایی کردن ژلاتین با بلوم بالا (نوع B) بخش عمده ای از فراکسیون آن در محدوده وزن ملکولی 100000 گرم بر مول است. و این به زنجیره α مربوط می شود. از سوی دیگر ژلاتین اسیدی شده (نوع A) چنین نقطه مشخصی ندارد. بلکه محدوده وسیعی را شامل می شود. توزیع وزن ملکولی در حال حاضر می تواند به طور مشخصی در هر نوع ژلاتین از کمتر از 10000 گرم بر مول تا بالای 400000 گرم بر مول مشخص شود. فراکسیون با وزن ملکولی بالا به عنوان میکروژل شناخته می شود. در طول پروسه تولید ژلاتین هیدرولیز بیشتری از پپتیدها رخ می دهد و این مسئله طیف وزن ملکولی محصول را تغییر می دهد. به طور کلی ژلاتین با وزن ملکولی بالا یا ویسکوزیته بالا به میزان بیشتری شکسته می شود. دلیل این موضوع اینست که انواع با قدرت ژلی کمتر همواره در طول ساخت تحت درجه حرارت بالا و زمان طولانی فرایند می شوند. تجزیه و فروپاشی تا حد زیادی بستگی به سه عامل pH، دما و زمان دارد. درجه حرارت بالا و زمان طولانی در معرض گرما قرار گرفتن فرایند را سرعت می بخشد. همین اثر زمانی که شراط فرایند اسیدی تر یا قلیایی تر باشد نیز دیده می شود.
ویژگی ژلاتین بدست آمده از منابع مختلف:
صنایع غذایی و دارویی در تمام جهان شاهد افزایش درخواست برای کلاژن و ژلاتین هستند. ژلاتین پستانداران (خوکی یا گاوی) که پرمصرف ترین نوع آن است، به دلیل مسائل مربوط به حوزه سلامت و اجتمائی و فرهنگی مورد محدودیت های گسترده ای قرار می گیرد. کیفیت ژلاتین بستگی به خواص فیزیکوشیمیایی آن دارد که نه تنها توسط گونه و یا بافتی که از آن استخراج شده است، بلکه توسط شدت روش های تولیدی تا حد زیادی تحت تاثیر قرار می گیرد (Johnston-Banks 1990).
تبدیل کلاژن به ژلاتین قابل حل می تواند به وسیله گرم کردن کلاژن در اسید یا باز انجام شود (روش اسیدی و قلیایی). طبق تحقیقات به عمل آمده روش اسیدی برای کمتر کردن پیوند کووالانسی کلاژن در پوست ماهی مناسب ترین روش می باشد، در حالی که روش بازی برای کلاژن های با کمپلکس بیشتر که در پوست هایی نظیر پوست گاو یافت می شود، مناسب می باشد.
ژلاتین پستانداران (خوک و گاو) که به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته اند در معرض محدودیت های اصلی در بین مصرف کنندگان به خاطر دغدغه های بهداشتی و فرهنگی، اجتماعی قرار دارند (کریم و همکاران 2009). به همین دلیل ژلاتین ماهی و مرغ در سال های اخیر مورد توجه قرار گرفته است (Lassoed و همکاران 2014). اما تا به امروز جایگزین های اندکی برای ژلاتین پستانداران در دسترس بوده است. که شامل ژلاتین پوست اسب، ماهی و پوست تیلاپیای قرمز و سیاه می باشد. همین طور در کره جنوبی تحقیقاتی روی ژلاتین پای مرغ به عنوان جایگزین پوست گاو انجام شده است (Sarbon و همکاران 2013).
ژلاتین پوست مرغ می تواند یک جایگزین برای ژلاتین پستانداران (گاو) باشد. زیرا ساختار ژلاتین پوست مرغ مشابه ساختار ژلاتین گاو می باشد و خواص فیزیکی بهتری در مقایسه با ژلاتین ماهی دارد. مقدار بلوم ژلاتین استخراج شده از پوست مرغ به طور قابل توجهی بالاتر از ژلاتین گاو است و پروفایل ویسکوالاستیک دینامیک ژلاتین مرغ ویسکوزیته بالاتر و ضریب الاستیک بیشتری را نشان می دهد. زیرا پیوند هیدروژنی ژلاتین مرغ در مقایسه با ژلاتین گاو قوی تر است، چون نسبت تیروزین ژلاتین مرغ کمتر از ژلاتین گاو می باشد. همچنین ساختار های نوع β و α هلیکس ژلاتین پوست مرغ بیشتر از ژلاتین گاو است (Sarbon و همکاران 2013).
ساختار کلاژن پای مرغ و ژلاتین تجاری گاو با استفاده از روش طیف سنجی FTIR مشاهده می شود. FTIR روش طیف سنجی است که به طور گسترده به عنوان یک ابزار تحلیلی در زمینه های پتروشیمی, داروسازی, بالینی, کشاورزی, مواد غذایی و بخش های پزشکی کاربرد دارد و در 15 سال گذشته به تصویب رسیده است. طیف FTIR ژلاتین پای مرغ نسبت به ژلاتین تجاری گاو میزان اسید آمینه بیشتری را نشان می دهد. بنابرین تولید ژل با استفاده از پای مرغ را به صنعت طیور اضافه کردند. زیرا قدرت ژلی و کیفیت تغذیه ای ژلاتین پای مرغ بیشتر از ژلاتین تجاری گاو است (Almedia و همکاران 2012). تفاوت اصلی خواص ژلاتین پستانداران و ماهی، ژله ای شدن و دمای ذوب پایین تر و ویسکوزیته بالاتر است. ژله ای شدن و دمای ذوب ژلاتین گاو 25-20 و 31-28 درجه و در مورد ماهی 25-8 و 28-11 است.
به طور کلی، پوست و استخوان گاو و خوک، به عنوان منابع اصلی استخراج کلاژن و ژلاتین هستند. اما همان طور که اشاره شد، وقوع بیماری جنون گاوی، منجر به ایجاد تشویش در بین مصرف کنندگان ژلاتین گاوی شده است (1994 Shahidi,). در نتیجه استخوان و پوست و باله ماهی حاصل از ضایعات فرآوری آبزیان را می توان به عنوان جایگزین منابع ژلاتینی و کلاژنی مذکور در نظر گرفت. حدود 30 درصد ضایعات فرآوری آبزیان را استخوان و پوست تشکیل می دهند که غنی از کلاژن هستند ( Morrissey et al., 2000 , Shahidi, 1994; Bailey et al ; 1989).
ژلاتین ماهی دارای خواصی شیبه ژلاتین خوک است. همچنین یکی از مزیت های عمده منابع دریایی برای تولید ژلاتین این است که استفاده از آن ها مصرف کنندگان را با خطر شیوع بیماری انسفالویاتی گاوی تهدید نمی کند (Karim و همکاران 2009). اما ژلاتین ماهی نیز دارای رنگ تیره و بوی ماهی است در نتیجه به ندرت استفاده تجاری می شود (Cho و همکاران 2004).
طیف گسترده ای از دمای ژله ای شدن تا حد زیادی مربوط به مواد اولیه مورد استفاده در فرایند استخراج است. ژلاتین ماهیان آب سرد به دلیل مقدار کم اسیدهای آمینه و کاهش تمایل به تشکیل مارپیچ ملکولی نسبت به ژلاتین پستانداران غلظت بالاتر و نقطه ذوب پایین تری دارد در نتیجه در دمای اتاق به صورت ویسکوز می باشند. اما ژلاتین ماهیان آب گرم خواصی مشابه ژلاتین پستانداران دارد (Karim و همکاران 2009 و Boran و همکاران 2010). به طور کلی ژلاتینی که از بدن پستانداران استخراج می شود حاوی تقریباً 22% مولار پرولین و هیدروکسی پرولین می باشد. ولی ژلاتینی که از پوست بدن ماهی استخراج می شود حاوی 17% مولار پرولین و هیدروکسی پرولین می باشد و از خاصیت ژل دهندگی بسیار پایین برخوردار است. ژلاتین ماهی دارای درجه بلوم بین 0 تا 270 است که در مقایسه با درجه بلوم ژلاتین خوک یا گاو (0 تا 240 ) کمتر می باشد. هرچند درجه بلوم 426 برای ماهی تن باله زرد گزارش شده است.
Hafsteinsson et al. حداکثر راندمان تولید ژلاتین از پوست ماهی کاد حدود 17% بر اساس وزن پوست ماهی گزارش نمودند. اگر غلظت اسید سولفوریک و هیدرومسید سدیم بیش از 2/0 % بر حسب وزنی حجمی و غلظت اسید سیتریک مساوی یا کمتر از 2/1 % وزنی – حجمی استفاده شود، عطر و بوی ژلاتین به سختی قابل تشخیص است. به هر حال ژلاتینی که از غلظت 7/0% اسید سیتریک حاصل می شود تقریبا شفاف تر از موقعی است که غلظت آن در محدوده 1 تا 2/1 % باشد. تنها ژلاتینی که در رنگ و شفافیت غیر قابل قبول است وقتی بدست می آید که غلظت اسید سولفوریک و هیدروکسی سدیم آن کمتر از 2% باشد.
گراسمن و همکاران گزارش دادند که نقطه ذوب ژلاتین ماهی تیلاپیا (tilapia) که از نوع ماهی اب گرم بوده نسبت به ژلاتین ماهی کاد (ماهی آب سرد) تفاوت دارد. یعنی قدرت ژله ای آنها و حتی راندمان تولید ژلاتین از پوست اینگونه ماهیان نسبت به همدیگر تفاوت دارد.
جانسون گزارش داد که ژلاتینی که فرایند تولید آن در pH حدود خنثی تنظیم شده است، قدرت بلوم ژله ای آن بالاتر از ژله هایی است که pH آن 5/2 تا 3 تنظیم گردیده است. ایمز راندمان تولید ژلاتین از استخوان خشک شده گاو حداکثر 18% و از پوست خوک منجمد را حداکثر 22% گزارش نمود و در صورتی که استخوان به اندازه 18 میلی لیتر خرد شده باشد، راندمان تولید ژلاتین به 60 % هم می رسد.
* ماهی ژلاتینی با کیفیت ژلی خوب تولید می کند بدون اینکه طعم و بوی ماهی داشته باشد. همچنین مقداری ژلاتین بدون ژل هم بعنوان یک فرآورده جانبی تولید می کند. زمان تولید ژلاتین برای هر نوع ماهی و در هر غلظت اسید بکار رفته متفاوت است.
* پوست خوک بصورت بلوک های یخ زده مستقیما از کشتارگاه ها دریافت می شود و قبل از استفاده نیاز به رفع انجماد دارد. پوست خوک ممکن است تا حدود 30% چربی داشته باشد که جداسازی و تولید چربی به عنوان یک محصول جانبی می تواند انجام شود.
* فرایند کردن استخوان گاو پیچیده و پرهزینه است که شامل چربی گیری و جداسازی مواد معدنی از مواد استخوانی می باشد. پس از جداسازی چربی و مواد معدنی, ماده حاصله اوسئین نامیده می شود که از آن ژلاتین تهیه می شود. قیمت تمام شده ژلاتین اوسئین بیشتر از ژلاتین تولید شده از سایر مواد اولیه می باشد. همین امر باعث شده است که بیشترین استفاده این نوع ژلاتین در صنایع عکاسی و داروسازی باشد.
ژلاتین ماهی (خصوصا از ماهی های آب گرم) به خاطر داشتن خصوصیات شبیه به ژلاتین خوکی شهرت یافته و به این دلیل می تواند به عنوان جانشینی برای ژلاتین پستانداران در فرآورده های غذایی مورد استفاده قرار بگیرد. به کارگیری و تولید ژلاتین ماهی نه تنها می تواند نیاز مصرف کنندگان را پاسخگو باشد، بلکه همچنین می تواند به عنوان راهی برای استفاده از محصولات جانبی صنعت ماهی گیری به شمار رود. در مقایسه با ژلاتین پستانداران، ژلاتین ماهی دارای بسیاری از خواص مختلف است. دمای ژل و ذوب شدن ژلاتین ماهی کمتر از پستانداران است (Gómez-Guillén et al. 2002). ژلاتین بسیاری از گونه های ماهی، با این حال، ویسکوزیته بالاتر از ژلاتین پستانداران را نشان می دهد (Liu et al. 2007).
تفاوت اصلی بین ژلاتین ماهی و ژلاتین پستانداران در میزان ایمینواسیدهای پرولین و هیدروکسی پرولین می باشد. میزان کمتر پرولین و هیدروکسی پرولین سبب مدول ژل، دمای تشکیل و ذوب ژل پایین تر در ژلاتین ماهی می شود. شرایط فرآوری (حلال- دما- زمان) برای بهینه سازی بازده و کیفیت محصول (قدرت ژل و نقطه ذوب تشکیل ژل) از اهمیت ویژه ای برخوردار است. همچنین بررسی های انجام شده نشان داده است که استفاده از ترانس گلوتامینازهای خوراکی نمک های قابل حل و مخلوط کردن ژلاتین ماهی با سایر هیدروکلوئیدها سبب تعدیل خواص ژل های تشکیل شده از ژلاتین ماهی می گردد.
در سال 1960 ژلاتین ماهی به صورت تجاری در نواسکاتیا استخراج شد. ماده خام استفاده شده، پوست ماهیان عمق زی مانند کاد و پولاک بود و از ضایعات ماهیان منجمد فراوری شده و شوردهی شده بدست آمده بود. اما استفاده از ژلاتین ماهی به دلیل خواص رئولوژیکی ضعیف و پایداری کمتر آن در مقایسه با ژلاتین پستانداران با محدودیت هایی همراه است که این محدودیت ها عمدتا به دلیل میزان کمتر ایمینو اسیدها (پرولین و هیدروکسی پرولین) آن می باشد. همچنین ژلاتین با وزن ملکولی کمتر دارای خواص ژله ای کمتری در مقایسه با ژلاتین با وزن ملکولی بالا می باشد. بنابرین شرایط استخراج ژلاتین اللخصوص دمای استخراج و مدت زمان آن باید در شرایط بهینه انجام شود تا از تجزیه شدن ملکول ها جلوگیری شود. به علاوه شرایط محیطی نژاد ماهی نیز عامل تعیین کننده ای در کیفیت ژلاتین تولید شده می باشد. به طوری که ژلاتین ماهی های ساکن آب های گرم دارای نقطه ذوب بالاتر، پیوندهای هیدروژنی و میزان پرولین و هیدروکسی پرولین بیشتری نسبت به ژلاتین ماهی های ساکن اب سرد می باشند.
ژلاتین ماهی به روش های متفاوتی مورد استخراج قرار گرفته است. روش مستقیمی که برای تهیه ژلاتین ماهی به کار می رود معمولا از یک پیش تیمار ملایم شیمیایی مواد اولیه خام و دمای ملایم در حین استخراج تشکیل شده است. در کل یک تیمار اسیدی بر پوست ماهی قبل از استخراج ژلاتین صورت می گیرد. به طور نسبی بازده استخراج ژلاتین ماهی کمتر از ژلاتین پستانداران بوده و در حدود 6 تا 19% می باشد که می تواند به دلیل از دست رفتن کلاژن در اثر لیچینگ در طی مراحل شست و شو یا هیدرولیز ناقص کلاژن باشد.
تنوع در بازده با گونه و سن ماهی متغییر است. ژلاتین ماهی با اینکه به طور کامل نمی تواند جایگزین ژلاتین پستانداران گردد اما جایگزینی قابل قبول است و می تواند به عنوان محصولی با خواص منحصر به فرد و قابل رقابت با سایر بیوپلیمرها و مطابق با قوانین تجارت حلال / کوشر مورد استفاده قرار بگیرد. با وجود اینکه به نظر می رسد ژلاتین ماهی جایگزین مناسبی برای ژلاتین پستانداران است اما برخی مشکلات مانند خواص تشکیل ژل نامطلوب و تفاوت کیفیت ژلاتین بین گونه های مختلف ماهی از موانع موجود محسوب می شود.
به طور کلی کلاژن موجود در پوست ماهی به نسبت کلاژن پستانداران، از طیف وسیع تری از آمینواسیدها ساخته شده است. مقادیر هیدروکسی پرولین و در مقیاس کمتر پرولین آن در مقایسه با پستانداران کمتر است اما این با مقادیر بیشتر سرین و ترونین خنثی می شود ( Balian & Bowes, 1977). جدا از ترکیب آمینو اسید، خواص کاربردی ژلاتین همچنین تابع توزیع وزن های ملکولی، ساختار ها و ترکیبات زیر واحدها است. در طی تولید ژلاتین از کلاژن، طیف گسترده ای از ملکول ها به دلیل گسستن پیوندهای کووالانسی بین زنجیره ای و شکستن برخی پیوندهای پپتیدی خارج زنجیره ای، به وجود می آیند (Zhou, Mulvaney, & Regenstein, 2006). به این دلیل ژلاتین به دست آمده، وزن ملکولی کمتری از کلاژن دارد و از مخلوطی از مواد با وزن ملکلی بین kDa 250-80 تشکیل شده است (Poppe, 1997).
ژلاتین تولید شده از ماهی های آب سرد دمای تشکیل ژلی کمتر از 80-10 درجه دارند در نتیجه این نوع ژلاتین عموما در محصولاتی که نیاز چندانی به قدرت ژل بالا نداشته و بیشتر بر سایر خواص ژلاتین مانند جلوگیری از سینرژیس و ایجاد بافت مناسب تاکید دارد استفاده می شود. می توان ژلاتین ماهی های سردابی را در محصولات یخچالی یا منجمد که بلافاصله بعد از خروج از یخچال مصرف می شوند استفاده کرد. میکرواینکپسوله کردن در صنایع غذایی برای حفظ طعم مواد غذایی به وسیله ژلاتین ماهی های گرم آبی انجام می شود. مانند اینکپسوله کردن روغن های حیوانی، روغن لیمو، طعم سیر، سیب و یا فلفل سیاه.
ژلاتین یک پروتئین کم کالری بوده و به دلیل ذوب شدن سریع حالتی شبیه چربی در دهان ایجاد می کند و برای تولید غذاهای کم کالری بسیار مناسب می باشد. بررسی های حسی به عمل آمده از دسرهای حاوی ژلاتین ماهی نشان داده که به دلیل نقطه ذوب کمتر ژلاتین های با منشا دریایی در دهان آزاد شدن آروما بهتر صورت گرفته و طعم قوی تری احساس می شود. با افزایش غلظت ژلاتین یا استفاده از مخلوط چند نوع ژلاتین بافت دسرهای تولید شده با ژلاتین ماهی می تواند شبیه به دسرهای تولید شده از ژلاتین خوک با درجه بلوم بالا گردد. مشاهدات نشان داده که اتصالات عرضی ژل های ماهی در طی حرارت دهی در حمام آب گرم از بین نمی روند. در نتیجه در صورت عدم تخریب ساختار ژلاتین ماهی در اثر حرارت های بالا از ژلاتین ماهی می توان در محصولات استریل نیز استفاده کرد.
گزارش ها حاکی از آن است که دسرهای طعم دار ژلاتین ماهی میزان طعم و بوی بد کمتری از انواع محصولات دارای ژلاتین خوک با قدرت ژل مشابه دارد. همچنین میزان طعم و بوی مطلوب این فراورده ها بیشتر است. به نظر می رسد دمای ذوب کمتر ژلاتین ماهی به آزاد شدن آرومای میوه و شیرینی آن کمک می کند. به دلیل اینکه ژلاتین خوک در دهان آهسته تر از ژلاتین ماهی ذوب می شود انتظار می رود ویسکوزیته قابل درک ژلاتین خوک در شرایط یکسان بیشتر از ژلاتین ماهی باشد. مهم ترین مزایای ژلاتین دریایی عدم احتمال آلودگی آن به انسفالیت اسفنجی شکل گاوی و پذیرفته شده بودن آن در ادیان اسلام و یهودیت است. طی فرآوری ماهی، مقادیر زیادی از ضایعات شامل آب و مواد جامد، تولید می شوند .(Morrissey et al.,2000)
ضایعات جامد 70% – 50 مواد خام اصلی را در بر می گیرد و بسته به فرآیند مورد استفاده، این ضایعات مخلوطی از بخش های مختلف سر، امعاء و احشا و استخوان خواهند بود ( Morrissey et al., 2000, Shahidi, 1994; Bailey et al; 1989).
ارزش تغذیه ای پوست، استخوان و باله ماهی نسبتاً بالا بوده و این مواد منابع مفیدی جهت صنایع تولید آرد ماهی هستند، البته با توجه به کم شدن ذخایر ماهیان و نیز صید بیش از اندازه در دنیا، احتمال کاهش این مواد یعنی ضایعات نیز وجود خواهد داشت (Nagai et al., 2000) . امروزه محققین مختلفی در دنیا بر روی جداسازی کلاژن از ضایعات ماهی مطالعه می کنندet al,) 2000; Nagai et al., 2002. Nomura).
آزمایش ها نشان داده اند که حداکثر خواص ژله کنندگی و ویسکوزیته کلاژن نوع اول زمانی حاصل می شود که پوست ماهی در مجاورت هیدروکسید سدیم رقیق باشد. اگرچه کلاژن های ماهی به عنوان منبع چسب ماهی ارزش اقتصادی دارند، اما در مقادیر وسیعی تهیه نگردیده اند. کلاژن کیسه ی هوای ماهی به دلیل درجه ی بالای حلالیت آن، شاید اولین کلاژن محلولی باشد که کشف شده است. همچنین کلاژن کیسه هوایی ماهی خاویار هنوز به طور تجاری در تصفیه نوشابه های الکلی به کار می رود. کلاژن محلول پوست ماهی به طور وسیعی مطالعه شده است و به طور غیر معمول 3 زنجیر اصلی آن همگی متفاوت هستند Morrissey et al., 2000) ). به طور کلی کلاژن های ماهی مقدار اسیدآمینه کمتری از کلاژن های پستانداران دارند. کلاژن محلول پوست کوسه ماهی و ماهیان غضروفی نیز به دست آمده اند که این نوع کلاژن ها مشابه با کلاژن مهره داران است .(Nagai et al., 2000)
شاید جالب ترین کلاژنی که در آبزیان کشف شده است؛ الاستودین بوده که از پروتئین تهیه شده از باله کوسه ماهی است. این پروتئین وزن مولکولی کمتری در مقایسه با اکثر کلاژنهای محلول دیگر دارد و هم چنین مقدار تیروزین و سیستئین بالایی داشته که غیرعادی می باشد. این دو اسیدآمینه در تشکیل اتصال شرکت دارند، ولی این پدیده در کلاژن های پستانداران دیده نمی شود ( Morrissey et al., 2000).
* ارزیابی ویژگی ها و بلوم
بولوم (Bloom) نام شخصی است که وسیله ای را جهت اندازه گیری سختی ژلاتین ابداع نمود. برای اندازه گیری بولوم، ژلاتین را با درصد مشخصی آب مخلوط می کنند و پس از آن ورقه هایی استاندارد تشکیل می دهند و پس از خشک شدن این ورقه ها درجه سختی را اندازه گیری می کنند. یک روش به این صورت است که 5/7 گرم نمونه را در بطری بولوم جای داده و با 105 میلی لیتر آب مقطر مخلوط می نمایند. این مخلوط به حال خود گذاشته می شود تا ژلاتین به طور کامل متورم شود. سپس در حمام آب 65 درجه سانتیگراد حرارت داده می شود تا ژلاتین حل گردد. سپس ژلاتین در حمام سرد 10 درجه سانتیگراد به مدت 16 تا 18 ساعت قرار داده می شود و بعد از آن برداشته و با ژلومتر تست می گردد.
قدرت ژلی ژلاتین 100% در اثر حرارت قابل برگشت می باشد در کاربرد غذایی این ژل به طور کامل در دهان ذوب می شود که باعث ایجاد احساس دهانی خوشایند و آزادشدن مولکول های آن در دهان می شود. ژلاتین بدست آمده از رشته های کلاژن، قابل هضم ، بدون چربی، کلسترول و کربوهیدرات است. ژلاتین دارای قابلیت چند عملکردی است. یعنی چندین عمل را هم زمان در محصول انجام می دهد این چند عملکردی به این معنی است که ژلاتین یک ترکیب با ارزش غذایی بالا در صنایع غذایی ، دارویی و عکاسی می باشد. ایجاد واکنش های آلرژیک در مورد ژلاتین کم تر مشاهده شده است از آنجایی که ژلاتین یک پروتئین طبیعی است مصرف آن در مصارف پزشکی از قبیل کپسول های خوراکی وقرص های دارویی توصیه می شود. (ثمینی ، 1389)
این ماده ی با ارزش خوراکی ضد آلرژیک و افزایش دهنده ی پلاسمای خون است و برخلاف سایر کلوئیدها ارزان و دارای pH غذایی و در دسترس می باشد. تغییرات pH در مواد غذایی ، وجود کاتیون ها و مواد جامد محلول اثر بر فرآیند ژلاسیون ندارند. انتخاب صحیح ژلاتین در مواد غذایی برای ایجاد بافت مناسب و ایجاد خصوصیات مختلف (قدرت ژلی ، وسیکوزیتر و انعقاد ) به کاربرد خاص آن اشاره دارد.
اضافه شدن ژلاتین به شیر سرد با هم زدن پی در پی و متورم شدن دانه ها و ذرات ژلاتین صورت می گیرد هرچه ذرات و اندازه های گرانوله بزرگتر باشد زمان بیشتری طول می کشد که ذرات ژلاتین متورم شوند و به طور کامل حل شوند (فرحناکی ، 1388). اضافه شدن ژلاتین به شیر گرم وقتی که ذرات و دانه ها با غلظت و اندازه بیشتر باشند صورت می گیرد بنابراین قابلیت انحلال ژلاتین در شیر افزایش می یابد (با افزایش دما) در یک زمان تقریباً کوتاه بسته به اندازه ذرات و دمای آب انحلال صورت می گیرد.هرچه اندازه ذرات ریزتر باشد ظرفیت پراکندگی افزایش می یابد.
در روش حل کردن در حین پاستوریزاسیون شیر(در حین فرآوری) که به طور اختصاصی در صنعت لبنیات مشهود می باشد، ژلاتین با بلوم پایین در شیر پاستور به همراه سایر ترکیبات بهتر پخش می شود ذرات به طور کامل در حین حرارت دهی در شیر حل می شوند و قدرت ژلی شدن آنها افزایش می یابد. ژلاتین با داشتن ساختار مولکولی بی نظیر خود تحت تاثیر دناتورکننده ها از جمله عملیات اصلاح حرارتی و محیط های باردار قرار نمی گیرد زیرا پروتئین آن در طی استخراج تقریباً دناتوره شده است .
ژلاتین ویسکوزیته را افزایش می دهد و زمان تخمیر ماست را کاهش می دهد و قوام و استحکام بافت را افزایش می دهد. افزایش ویسکوزیته با مقدار و کیفیت ژلاتین به کار رفته رابطه مستقیم دارد. بعضی از مقادیر بکار رفته ژلاتین در ماست طعم صابونی و سوپی در مقادیر بالا ایجاد می کند. با توجه به اینکه ژلاتین در محلول سردی مثل (شیر سرد) که دمایی 40 درجه سانتیگراد دارد متورم می شود و برای هیدراسیون کامل به زمانی حدود 30 دقیقه نیاز دارد. ژلاتین در مایع سرد (دمایی کمتر از 30 درجه سانتیگراد) به خوبی حل نمی شود.
محلول های ژلاتینی در دماهای بالاتر از 40 درجه سانتیگراد از قدرت ژلی بالایی برخوردارند (قدرت ژلی متناسب با غلظت ژلاتین در فاز آبی متفاوت است). ژلاتین مشابه سایر پروتئین های موجود در شیر در معرض هیدرولیز و تجزیه قرار می گیرد که این تغییرات تا حدود زیادی به pH و دما مربوط است. خصوصیات امولسیفایری و کلوئیدی : ژلاتین یک کلوئید حفاظتی موثر است که می تواند از تشکیل کریستال یا ذره ، کمپلکس و بنابراین تثبیت یک سوسپانسیون هتروژن جلوگیری می کند. همچنین از آن به عنوان عامل امولسیفایرکننده در مواد آرایشی و دارویی عمل می کند .خصوصیت کلوئیدی حفاظتی ژلاتین نیز در کاربرد های فتوگرافی مهم است که کریستال های هالید نقره را تثبیت و حفاظت می کند.
> توده ای شدن : یک پدیده مرتبط با کلوئید ها می باشد که در آن ذرات پخش شده از محلول جدا می شوند تا یک فاز مایع ثانویه تشکیل شود که توده ای شدن نامیده می شود . محلول های ژلاتین توده هایی را در اثر افزودن نمک هایی از قبیل سولفات سدیم بخصوص در pH زیر نقطه ایزو یونی تشکیل می دهند . علاوه بر این محلول های ژلاتین با محلول های پلیمرها یا ماکرو مولکول هایی با بار مخالف توده تشکیل می دهند . این ویژگی در کاربرد های فتوگرافی از اهمیت بالایی برخوردار است .
> متورم شدن : ویژگی متورم شدن ژلاتین تنها در رهایی و نجات آن مهم نیست بلکه در فرآوری فیلم فتوگرافی و حل کردن کپسول های دارویی نیز اهمیت بسزایی دارد. بطور کلی pH و محتوای الکترولیت بر میزان تورم موثر است . ژلاتین کمترین تورم را در نقطه ایزوالکتریک از خود نشان می دهد .
> pH : در pH زیر نقطه ایزوالکتریک انتخاب صحیح و مناسب آنیون ها می تواند تورم را کنترل کند در حالیکه در بالای نقطه ایزوالکتریک در ابتدا کاتیونها بر متورم شدن اثر می گذارند . احتمالا این اثرات در شکستن باند های هیدروژنی شرکت دارند و باعث افزایش تورم می شوند . در محصولات فتوگرافی تورم لایه ژلاتینی توسط شرایط پوشش، شرایط خشک کردن، پیوند های عرضی شیمیایی و ترکیب محلول های فرآوری کنترل می شود .
ژلاتین قابلیت حل شدن در هر مایعی را دارد زیرا حاوی آنزیمی ویژه است که آنزیم موجود در محصول را از بین می برد و با روند آنزیمی خود در محصول عمل می کند و خصوصیات ویژه محصول را در جهت ویژگی های خود سوق می دهد. ژلاتین به صورت گرانوله و پودرشده در فرمولاسیون مواد به کار می رود.برای دستیابی به نتایج صحیح باید ژلاتین به صورت مناسب فراوری و به صورت دقیق در محصول ترکیب و اضافه شود.
جنبه مهم بعدی به ساختار اولیه ژلاتین بر می گردد که حاوی مقادیر مهمی از اسید آمینه ی ضروری ( لیزین 25% و آرژنین 5% ) و دارای اسیدهای مهم از جمله ( اسید گلوتامیک 2/7% و اسید آسپارتیک 7/4% ) می باشد. رشته های کلاژن موجود حاوی 80% اسیدهای آمینه غیر قطبی است. بنابراین در طول زنجیره آلفا مناطق غیر قطبی وجود دارند که خاصیت امولسیفایر کنندگی ژلاتین را افزایش می دهند. در رشته های کلاژن تقریباً 30% اسیدگلوتاسیک و آسپارتیک وجود دارند بنابراین نقطه ایزویونیک کلاژن را به حدود 2/9% می رسانند در حین فراوری ژلاتین با آزاد شدن اسیدهای موجود در آن آمونیاک افزایش می یابد .در نتیجه نقطه ایزویونیک ژلاتین بین 2/9 و 8/4 متفاوت می باشد مصرف ژلاتین با بلوم 180-160 که معمولاً از پوست یا استخوان گاو استخراج می شود بیشتر مرسوم است. ولی زمانی که سن حیوان بیشتر باشد لازم است که کلاژن با قلیا از قبل تیمار شود چرا که قلیایی کردن باعث می شود که بعضی از پیوندهای عرضی کلاژن و اسیدهای آمینه هیدرولیز شود و یک ژلاتین با pH در رنج 2/5-8/4 تولید می شود. هرچند که ژلاتین های پوست گاو با pH در رنج 5/6 بیشتر معمول است. ژلاتین به عنوان یک استابیلایزر در میان هیدروکلوئیدها با توجه به بار مولکولی در واکنش های مختلف عملکرد متفاوتی از خود نشان می دهد.نوع ژلاتین اصلی در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد.
1-ژلاتین نوع A(اسیدی)
2- ژلاتین نوعB (قلیایی)
این طبقه بندی به خصوصیات ژلاتین استخراج شده بر می گردد و تفاوت های معمول در نقطه ایزوالکتریک و وسیکوزیته در محلول را نشان می دهد. ژلاتین های تجاری ممکن است از بلوم پایین (کمتر از 150)، بلوم متوسط (220-150) تا بلوم بالا (بیش از 220) تغییر کند. در محصولات لبنی و دسرها مثل بستنی ، ماست ، اسپریدهای کم چرب و دسرهای ژلاتینی به عنوان عاملی برای افزایش وسیکوزیته و بهبود بافت به کار می رود. در محصولات و فرآورده های گوشتی برای بهبود طعم و افزایش تردی به کار می رود در نوشیدنی ها و آب میوه ها ژلاتین با بلوم پایین و برای هیدرولیز بافت پاپی به کار می رود.
بلوم ژلاتین
مقدار استفاده
ژلاتین
250- 150
1 – 2/0 %
محصولات لبنی
250 – 225
5/0 – 1/0 %
غذاهای منجمد
275 – 175
9 – 7 %
دسرهای ژلاتین
275 – 225
5/2 – 7/1%
شیرینی ها
275 – 175
5 – 1/0 %
محصولات گوشتی
جدول 3 – مقدار استفاده و بلوم مورد نیاز ژلاتین در صنایع غذایی
گرچه ژلاتین خوکی بیشترین مقدار تولید را دارد، مقدار قابل توجهی از ژلاتین مصرفی در غذا ها و دارو سازی از گاو گرفته میشود. فقره BSE در کنار نگرانی های مذهبی ، به مطالعات حساسی به خصوص در اروپا برای شناسایی و تولید جایگزین هایی برای ژلاتین پستانداران انجامیده است. علاوه بر این، رقابت شدیدی در میان تولید کنندگان برای منابع پوست خوک یا سایر منابع پستانداران در گرفته است که باعث افزایش درخواست و قیمت ها شده است. با این حال امروزه، جایگزین های کمی برای منابع ژلاتین وجود دارد و محققان دانشگاهی و صنعتی به طور مداوم در جستجوی جایگزینی برای ژلاتین و منابع جدیدی برای ژلاتین که دید بهتری به آنها باشد هستند. آشکار است که ژلاتین های دارای وزن مولکولی مساوی با منابع مشابه حتی اگر تحت شرایط مشخصی تشکیل شده باشند، می توانند استحکام ژلی کاملا متفاوتی را داشته باشند.
نظریه ای توسط (رابینسون و همکاران 1975 (ارائه شد که بیانگر کاهش میانگین وزن مولکولی ژلاتین اسیدی در معرض آب آهک به 42000 و در ژلاتین قلیایی به 79000 می باشد ). گراند و استاینزبای 1976 ( اقدام به تجزیه و تحلیل تعدادی از ژلاتین ها و هیدرولیز آن ها با اسید و قلیا تحت شرایط کنترل شده نمودند و سعی کردند فرضیه فوق الذکر را اثبات نمایند.
استخراج ژلاتین در مقیاس آزمایشگاهی
پیچیدگی ساختمان کلاژن و تنوع روش های شیمیایی و آنزیمی در ساخت ژلاتین باعث تولید انواع مختلف ژلاتین می شود. اگر چه روش های تولید و کنترل کیفی جدید در ساخت ژلاتین استفاده می شود، تولید ژلاتین به صورت تجاری بر تجربه استوار است و شامل هیدولیز اسیدی یا قلیایی می شود. هیدرولیز آنزیمی برای تولید ژلاتینی به کار می رود که به ژلاتین هیدرولیز شده موسوم است. ساده ترین راه برای تبدیل کلاژن به ژلاتین، دناتوراسیون حرارتی است. در این شرایط فیبرها و فیبریل های کلاژن با از بین رفتن پیوندهای هیدروژنی و آب گریز که موجب پایداری ساختار مارپیچ کلاژن می گردند، به واحدهای تروپوکلاژن تجزیه می شوند. مرحله بعدی در تجزیه کلاژن، شکسته شدن پیوند های درون مولکولی بین سه زنجیره مارپیچ کلاژن است. این آبکافت سه نتیجه احتمالی را در بردارد :
– تشکیل سه زنجیره مستقل آلفا
– تشکیل یک زنجیره بتا (دو زنجیره آلفا که با یک یا چند پیوند کووالان به هم متصل شده اند) و یک زنجیره مستقل آلفا
– تشکیل یک زنجیره گاما (سه زنجیره آلفا که با پیوندهای کوالان به هم متصل شده اند)
در اثر شکسته شدن متفاوت پیوندهای کلاژن در زمان تولید ژلاتین، ژلاتین حاصل شامل پروتئین هایی با وزن مولکولی متفاوت می باشد. تفاوت اصلی میان فرم های آلفا، بتا و گامای ژلاتین در وزن مولکولی آن هاست که در جدول زیر نشان داده شده است.
نوع زنجیره
وزن ملکولی
α
125-80
β
250-160
¥
375-240
جدول 4- وزن ملکولی زنجیره های ژلاتین
حین تبدیل کلاژن به ژلاتین، بسیاری از باندهای غیرکووالانسی به همراه برخی از اتصالات کووالانسی بین و خارج مولکولی و تعداد اندکی از باندهای پپتیدی، شکسته می شوند. این تغییرات دناتوراسیون مولکول کلاژن را تشکیل داده و در نتیجه ساختار مارپیچی کلاژن به فرم بی شکل آن که ژلاتین نام دارد، تبدیل می شود ( فوئجدینگ و همکاران، 1996). هرچه فرآیند استخراج شدیدتر باشد، شدت هیدرولیز اتصالات پپتیدی و در نتیجه میزان پپتیدهای با وزن مولکولی کمتر از آلفا افزایش می یابد (مقایسه روش های تولید کلاژن و ژلاتین از آبزیان ، سجاد شهباز تبار).
تولید ژلاتین شامل تخریب ساختار دوم و سوم و تا حدودی ساختار اول کلاژن است که به شرایط پیش تیمار و شدت فرایند استخراج بستگی دارد. تبدیل کلاژن به ژلاتین از دو مرحله اصلی پیش تیمار و استخراج تشکیل شده است. هدف پیش فرایندها تبدیل کلاژن به شکل مناسب آن جهت استخراج می باشد. برای رسیدن به این هدف می بایست تعداد قابل توجهی از اتصالات عرضی از نوع پیوندهای کووالانسی شکسته شود تا این امر منجر به آزاد شدن زنجیره های آلفا گردد. به علت تاثیر زیاد مرحله پیش فرایند بر خواص ژلاتین تولیدی هر تولید کننده شرایط پیش فرایند در تولید ژلاتین را به گونه ای تنظیم می کند که منجر به تولید ژلاتین با خواص شیمیایی و فیزیکی مورد نظر خود شود.
فرایندپیش تیمار:
این مرحله به منظور تبدیل کلاژن به شکل مناسب برای استخراج لازم است. ماهیت و میزان کلاژن به طور معنی داری به بافت , نوع جاندار, سن و… مرتبط است (خمینز و همکاران 2005). در حال حاضر 2 فرایند اصلی تبدیل کلاژن نامحلول به ژلاتین محلول عبارتند از:
فرایند اسیدی:
این فرایند برای استخوان احشام جوان پوست خوک و پوست ماهی مناسب است. در طی این فرایند علاوه بر شکسته شدن اتصالات عرضی جهت جدا شدن زنجیره α مواد آلی مانند پروتئوگلایکون ها، موسین مواد قندی و… حذف می شوند. در این مرحله عموما از اسید سولفوریک، اسید کلریدریک و یا اسید فسفریک استفاده می شود (مونترو و همکاران 1990 / جانستون- بانکس 1990). pH استخراج در تیمار اسیدی 5/ 2 الی 5/ 4 و دما بالاتر از 50 درجه می باشد. اضافه کردن مرتب اسید، از افت pH به کمتر از 5/1جلوگیری می کند و بازده تولید را 1% افزایش می دهد. در صورتی که pH به کمتر از 1 برسد مولکول های کم وزن ژلاتین تولید می شود که در طول شستشو افت وزن بیشتر می شود. با کنترل مقدار اسید، ماهیت اسید و مدت زمان تیمار، می توان بازده تولید ژلاتین را افزایش داد
فرایند قلیایی:
هدف اصلی از این فرایند حذف مواد چرب پروتئین های ضعیف و سایر ترکیبات الی و از بین بردن اتصالات عرضی باقی مانده در کلاژن است.
با توجه به نوع پیش فرایند موثر، ژلاتین استخراج شده به دو نوع A (نقطه ایزوالکتریک بین 7 – 4/9) و B (نقطه ایزوالکتریک بین 5/4 -3/5) تقسیم بندی می شوند که بر اساس نقطه ایزوالکتریک آن قابل تمیز هستند.
استخراج:
صرف نظر از نوع پیش تیمار اعمال شده مراحل استخراج تقریبا یکسان بوده و شامل شست و شو، استخراج، خالص سازی، تغلیظ و خشک کردن می باشد. در طی فرایند استخراج بایستی به بهینه سازی توازن pH ، دما و زمان استخراج به منظور دستیابی به حداکثر بازده و بالاترین خواص فیزیکی توجه کرد. که برای استفاده از ژلاتین در مواد غذایی که بعضا به تغییرات pHحساس هستند مانند ماست و دست یافتن به بهترین خصوصیات فیزیکی و pH انتخاب می شوند. با کاهش pH بازده استخراج به حداکثر می رسد (اسماعیلی و همکاران 1389).
با توجه به عدم وجود کارخانه تولید ژلاتین در کشور و کاربرد مهم آن در صنعت، لزوم تولید ژلاتین از 3 جنبه کاملاً ضروری به نظر می رسد :
1- تولید ماده با ارزش غذایی بسیار بالا و پر مصرف
2- عدم خروج ارز از کشور جهت واردات این ماده
3- جلوگیری از به هدر رفتن ضایعات با ارزش دامی
بنابراین با توجه به واردات ژلاتین که با خروج مقدار زیادی ارز از کشور همراه است، تولید آن با وجود پیچیدگی فرآیند، کمک بسیار موثری به اقتصاد کشور می باشد (بلوم، 1925 ، گراسمن و همکاران، 1992).
منابع به کار رفته در تولید ژلاتین حلال، ضایعات دامی و شیلات است که به دلیل حجم بالای ضایعات شیلات، استفاده از آن بیشتر مورد توجه قرار دارد. مواد اولیه تولید ژلاتین منابع دارای کلاژن هستند که به وفور و با قیمت مناسب قابل دسترس باشند. از لحاظ تجاری منابع مورد استفاده عبارتند از استخوان ماهی, پوست خوک, پوست گاو و استخوان گاو.
استخراج ژلاتین از پوست نمونه ماهی
کلاژن ماهی به عنوان منبع چسب ماهی ارزش اقتصادی دارد. ولی تولید ان در سطح گسترده ای انجام نمی کیرد. کلازن محلول کیسه هوایی ماهی شاید اولید کلازن محلولی باشد که درجه بالای حلالیت آن مشخص شده است. به عبارت دیگر کلآژن کیسه هوایی سگ ماهی هنوز هم به طور تجارتی برای تصفیه نوشابه های الکلی مورد استفاده قرار می گیرد. ایزینگلاس ماده ژلاتینی است که در ساخت سریشم به کار می رود و از کیسه هوایی ماهیان بزرگ معینی گرفته می شود و فرم نسبتا خالصی از کلاژن است. زمانی فقط ماهیان خاویار بلوگا منبع مناسی برای این عمل مهم به شمار می آمد. ولی بعد از ممنوعیت صادرات این ماده از روسیه در سال 1999 ماهیان دیگری مورد استفاده قرار گرفتند. کلاژن محلول پوست ماهی روغن نیز به طور وسیعی مطالعه شده است. به طوری که سه زنجیره آلفای آن باهم تفاوت دارند و این غیر عادی است. به طور کلی مقدار اسید های امینه کلاژن ماهیانکمتر از کلاژن پستانداران است. و این ود دلیلی برای درجه حرارت پایین تر دناتوره شدن این مواد می باشد. کلاژن محلول پوست کوسه ماهی و همین طور کلازن ماهیان استخوانی درجه حرارت دناتوره شدن پایین دارند. اگرچه از جنبه های دیگر مشابه کلاژن مهره داران است.
شاید جالب ترین کلاژن ماهی که تاکنون استخراج شده است الاستوایدین باشد که یک پروتئین بدست امده از باله کوسه ماهی است. این کلاژن به طور غیرعادی حاوی مقدار زیادی تیروزین ( 25/7 % ) است ضمن آن که دارای مقداری سیستئین (18/0 % ) می باشد.
از آنجا که اتصالات کلاژن پوست در برابر اسید ناپایدار است بنابرین عمل یک اسید ضعیف برای تاثیر بروی حلالیت آن کافی بوده و این عمل منجر به تولید ژلاتین نوع A با نقطه ایزوالکتریک تقریبی بین 6pH= و 9pH= خواهد شد. برای تولید ژلاتین غذایی از ماهی اسید سیتریک به طور گسترده ای استفاده می شود. زیرا رنگ و بوی نامطلوبی در ژلاتین ایجاد نمی شود. اصولا نوع اسید مورد استفاده، قدرت یونی و pH اسید، در خصوصیات تورم و حلالیت کلاژن کاملا موثر است. افزایش یون های H باعث نزدیکی آب به الیاف کلاژن شده و این آب بوسیله ی نیروهای الکترواستاتیک بین گروه های قطبی باردار (تورم الکترواستاتیکی) یا بویسله ی اتصالات هیدروژنی بین گروه های قطبی غیر باردار و اتم های منفی، نگه داری می شود. طبق آزمایشاتی که توسط علی آبرومند (1386) در دانشگاه کشاورزی رامین اهواز انجام گرفت مراحل استخراج ژلاتین از کلاژم پوست ماهی به شرح زیر است:
ابتدا نمونه ها به صورت منجمد به آزمایشگاه انتقال یافت و تا شروع آزمایش به همان صورت در یخچال نگه داری گردید. در مرحله دوم مقادیر متفاوتی بین 50- 27 گرم از نمونه های خارج شده از حالت انجامد خرد و توزین گردید و در کاغذ صافی پیچانده شد و پس از گذاشتن آنها در کارتوش، جداگانه آنها را در دستگاه سوکسله به منظور جداسازی چربی اناه قرار داده و به وسیله ی 200 سی سی پترلیوم به مدت 6 ساعت، چربی آنها استخراج گردید. به دلیل اینکه فقط کلاژن موجود در پوست و ضایعات ماهی است که در اثر هیدرولیز به ژلاتین تبدیل می شود. بنابرین باید تمام ترکیبات همراه با کلاژن موجود در ضایعات ماهی از جمله چربی و مواد معدنی و پروتئین های دیگر را جدا نمود. وجود چربی باعث تشکیل صابون از طریق ترکیب اسید چرب و قلیلی مصرفی در طول فرایند تهیه ژلاتین خواهد شد و بنابرین ضروری است که در مرحله اول فرایند آن را جدا نمود.
الف) روش اسیدی
مرحله جداسازی چربی در هر دو روش اسیدی و قلیایی مشترک است. مرحله سوم حذف املاح توسط HCL 5% است. نمونه های بدون چربی را در 300- 200 میلی لیتر اسید کلریدریک 5% به مدت 24 ساعت و در دمای اتاق با هم زدن مغناطیسی مخلوط گردید تا املاح آن جدا و در مرحله بعد با شست و شوی با آب مقطر خارج گردد. هدف از املاح گیری توسط اسید، عمدتا گرفتن املاح کلسیم است. فسفات های کلسیم به نام اپاتیت Ca 5 (Po4)3 (OH )در کلاژن موجود است. فسفات های کلسیم به صورت فسفات های اسیدی حل شده و خارج گردید. در نهایت کلاژن به صورت متورم (اوسئین) باقی می ماند که دارای ناخالصی های موکوپلی ساکارید ای است. عمل جداسازی املاح باید تحت کنترل باشد. یعنی عمل در درجه حرارت پایین (دمای اطاق) انجام گیرد و از افزایش درجه حرارت پرهیز گردد. غلظت زیاد اسید باعث هیدرولیز اسیدی پروتئین کلاژن می شود. مرحله چهارم شست و شوی اوسئین با آب به دفعات مکرر برای حذف اسید با استفاد از قیف بوخنر است. هدف از انجام این عمل به منظور خارج نمودن املاح می باشد. مرحله پنجم نمونه ها را در pH بین 5/6 -6 توسط pH متر دیجیتال تنظیم گردید. زیرا که در این محدوده pH سرعت تجزیه محلول ژلاتین حاصل در حداقل است و بهترین نتایج بدست می آید. مرحله ششم، هیدرولیز کلاژن و تبدیل آن به ژلاتین توسط حرارت و در مجاورتآب است. استفاده از اتوکلاو سریع ترین روش است. نمونه ها را در اتوکلاو و به مدت یک ساعت در فشار بخار psi20 قرار داده تا کلاژن به صورت ژلاتین هیدرولیز گردد. از بن ماری و در درجات حرارت 70 تا 80 درجه سانتی گراد هم استفاده گردید ولی زمان طولانی تری لازم است و 36 ساعت باید حرارت ببیند. قبلا نیز به میزان دوسوم مواد کلاژنی باید آب اضافه گردد.
هدف از اتوکلاو نمودن شکستن باندهای هیدروژنی است که ساختمان مارپیچی کلاژن را ثابت نگه می دارند. به هر حال نباید اتصالات پپتیدی از بین برود. اصولا از نکات جالب توجه تولید ژلاتین ان است که علی رغم همه فرایند ها، ترتیب اسیدهای امینه کلاژن عینا در ژلاتین تهیه شده از آن دیده می شود.
مرحله هفتم تصفیه شیمیایی محلول ژلاتین است. برای این کار می توان از سفیده تخم مرغ یا آهک یا فسفات کلسیم استفاده کرد. بلافاصله پس از خروج نمونه ها از اتوکلاو، در حالتی که محلول ژلاتین یک میلی لیتر سفیده تخم مرغ افزوده می شود. آلبومین سفیده در اثر حرارت منعقد و کوآگوله می شود و پس از یک ساعت می تواند املاحی مانند مس و دیگر ناخالصی ها را به خود متصل کند نموده و ته نشین کند که بعدا می توان جهت حذف ناخالصی های متصل شده به سفیده کوآگوله شده، محلول ها را از صافی عبور داد.
مرحله هشتم سانتریفوژ نمودن است. نمونه ها را با دور RPM2500 و به مدت 10 دقیقه و در دمای 5- درجه سانتی گراد سانتریفوز نموده و در اثر این عمل ، موکو پلی ساکارید هایی مانند هیالورونیک اسید و کندروایتین سولفات که داری وزن ملکولی زیاد هستند، رسوب می کنند و جدا می گردند.
مرحله نهم تبخیر نمودن محلول ژلاتین در اتوکلاو تحت خلا است. محلول های رقیق ژلاتین با در اتوکلاو تحت خلا با درجه حرارت 65 درجه سانتی گراد و به مدت 24 ساعت قرار داده شد. مایعات ژلاتینی به فرم ورقه هایی خشک گردید. به علت حساس بودن ژلاتین مایع نسبت به درجه حرارت بالا از اتوکلاو تحت خلا و درجه حرارت پایین استفاده گردید.
مرحله دهم، ورقه های خشک شده ژلاتین در آسیاب تبدیل به پودر گردید و سپس توزین شد.
ب)روش قلیایی:
1- جداسازی چربی
2- استفاده از محلول قلیا (سود 4%) و مجاور نمودن ان با منبع ژلاتینی (ضایعات ماهی ) به مدت 3 هفته و در دمای اتاق
3- حذف قلیل بوسیله ی آب
4- خنثی سازی محلول حاصله بوسیله ی اسیدکلریدریک 5%
5- شست و شوی مکرر با آب برای حذف اسید و تنظیم pH در حدود 7-6
6- هیدرولیز تحت بخار آب (در اتوکلاو) مانند روش اسیدی
7- فیلتراسیون برای حذف ناخالصی ها (مانند املاح و موکوپلی ساکاریدها)
8- تغلیظ مایع ژلاتین تحت خلا
9- سرد و خشک نمودن ژلاتین
10- خرد و اسیب نمودن ژلاتین و توزین آنها
11- ارزیابی صفات کیفی ژلاتین (رنگ) به روش تست پانل Hedonic scaling)) اندازه گیری شد و واحد رنگ بر اساس امتیاز دهی حسی بود.
تعیین بهترین pH (اسیدی یا قلیایی) جهت استخراج ژلاتین:
طبق داده های بدست آمده از آزمایش ذکر شده، از میان صفات کمّی (راندمان و درصد خلوص) و کیفی (رایحه و رنگ) مواردی که مورد بررسی قرار گرفتند، به جز صفت رایحه در سایر موارد اختلاف معنی داری میام متغیرهای مورد آزمایش و آثار متقابل آنها مشاهده گردید. لذا با توجه به اهمیتی که هر یک از صفات کمّی و کیفی مورد بحث داشتند، به هر یک از آنها امتیازی به صورت: راندمان: 40 درصد خلوص 40، و رنگ 20 امتیاز داده شد و امتیازات در سطوح مختلف آزمایش بر اساس وجود اختلافات معنی دار تقسیم شد. برای مثال در صورتی که اختلاف معنی دار به صورت A، AB و B برای راندمان مشخص گردیده باشد، به نمونه هایی که در سطح Aقرار گرفتند امتیاز کامل 40 امتیاز ، در سطح AB نیمی از امتیاز(20 امتیاز) و در نمونه هایی که در سطح B قرار می گرفتند هیچ امتیازی داده نمی شد. پس از امتیاز دهی یا تقسیم امتیازات، استفاده از شرایط استخراج اسیدی به مراتب مناسب تر از استخراج ژلاتین با کمک قلیا می باشد.
pH به عنوان فاکتوری موثر در کمیت و کیفیت ژلاتین استخراجی نقش دارد. بر اساس نتیجه آزمایش انجام گرفته، استفاده از pH 5/6 در مقایسه با pH 6 به عنوان pH مناسب انتخاب گردیده است.
تعیین بهترین دمای استخراج:
با توجه به انالیز واریانس داده ها و مقایسه میانگین ها، در اینجا نیز بر اساس وجود اختلاف معنی دار بین سطوح مختلف این متغیر، بهترین سطح یا دمای استخراج مشخص گردید. و با توجه به نتایج حاصل بهترین راندمان در دمای 70 درجه سانتی گراد بدست می آید.
مقایسه تمیزی و شفافیت در رنگ ژلاتین حاصله در این بررسی مطلوب بوده و مقایسه آن با سایر نتایج محققان نشان داد که هر چه غلظت اسید سولفوریک و هیدروکسید سدیم و اسید سیتریک بیشتر باشد، افیت و عطر و طعم ژلاتین حاصله مطلوب تر است.
> تولید ژلاتین از پستانداران
تفاوت روش های تولید ژلاتین بستگی به روش به کار گرفته شده بر روی مواد خام اولیه دارد. بر حسب اینکه از چه پیش تیماری استفاده گردد، چهار روش برای تولید ژلاتین وجود دارد که عبارتند از: روش اسیدی، روش قلیایی، روش پراکسید هیدروژن و روش آنزیمی.
* روش استخراج آنزیمی:
روش استخراج آنزیمی ژلاتین که نسبت به سایر روش های استخراج مزایای زیادی دارد که از آن جمله می توان به مقرون به صرفه بودن، عدم استفاده زیاد از مواد شیمیایی، کنترل بهتر فرآیند استخراج ، امکان تولید ژلاتین هایی با خواص مختلف تحت شرایط کنترل شده و … اشاره کرد. مواد اولیه خامی که ژلاتین از آنها استخراج می شود عبارتند از: استخوان دمینراله (اوسئین)، پوست خوک، پوست گاو و پوست ماهی. مطلوب ترین ماده اولیه حاوی کلاژن برای تولید ژلاتین باکیفیت بالا، استخوان گاو است که طبق آزمایش سید هاشم حسینی پرور و همکاران (1384) به آن می پردازیم.
قبل از انجام پیش تیمار و در ادامه تولید ژلاتین، معمولا بر روی مواد خام حاوی کلاژن بسته به نوع آنها، یکسری اعمال صورت می گیرد که عبارتند از: درجه بندی، چربی گیری ، کاهش اندازه و دمینراله کردن. روش های خالص سازی ژلاتین استخراج شده بسته به اینکه تا چه سطحی انجام شود متفاوت است. محلول ژلاتین می تواند از طریق فلوکوله کردن، که طی آن پروتئین های غیرژلاتینی و لیپیدها حذف می شوند، شفاف سازی گردد. برای تصفیه بیشتر می توان از فیلتراسیون ریز و یا ستون های تعویض یونی کاتیونی و آنیونی و نیز فرآیند های میکروفیلتراسیون استفاده کرد به منظور بوگیری محلول ژلاتین معمولاً از کربن اکتیو به میزان 3/0 گرم به ازای 100 گرم ماده خام استفاده می شود و سپس فیلتراسیون مجدد صورت می گیرد. پس از خالص سازی محلول ژلاتین آن را تحت خلاء و در دماهای پایین تغلیظ کرده و خشک می کنند، آنگاه ژلاتین خشک شده را آسیاب کرده و پس از بسته بندی به بازار عرضه می کنند. در این پژوهش استخراج آنزیمی ژلاتین خوراکی از استخوان صورت گرفت، پس از خالص سازی محلول ژلاتین فاکتورهای کیفی و راندمان ژلاتین بعنوان تابعی از متغیرهای فرآیند مدل شده و بهینه سازی به روش سطح پاسخ انجام شد.
مراحل عملی این پژوهش در چند بخش انجام شد که عبارتند از:
آماده سازی نمونه های آزمایشی ، آنالیز ترکیبات استخوان، انجام مراحل استخراج آنزیمی، خالص سازی محلول های ژلاتین حاصل و سپس تعیین راندمان استخراج، بلوم، ویسکوزیته و جذب نمونه ها و نهایتاً مدلینگ استخراج آنزیمی ژلاتین و پیشگویی شرایط استخراج بهترین نمونه ژلاتین به لحاظ راندمان و خصوصیات عملکردی ( بلوم، ویسکوزیته و رنگ) با استفاده از مدل.
آماده سازی نمونه ها
مقدار 30 کیلوگرم از استخوا ن های تهیه شده، ابتدا توسط ساتور به قطعات چند سانتیمتری خرد شد، سپس استخوان های خرد شده به وسیله دستگاه آسیاب چکشی به ذرات 3 – 1 میلی متر تبدیل شدند. پس از مخلوط کردن استخوان های خرد شده (به منظور همگن نمودن آنها ) نمونه های آزمایشی 200 گرمی استخوان، در نایلون های پلاستیکی بسته بندی شده و در سردخانه زیر صفر نگهداری شدند، تا به مرور از این نمونه ها در آزمایش ها استفاده شود.
چربی گیری استخوان
عمل جداسازی چربی از استخوان خرد شده (پودر استخوان) با استفاده از آب در دو مرحله انجام گرفت. ابتدا با افزودن آب با دمای معمولی (حدود 20 درجه سانتیگراد ) و همزدن سریع مقادیری از چربی استخوان خارج شد، سپس در مرحله بعد با آب دارای دمای حدود 40 درجه سانتیگراد این عمل دوباره تکرار شد، طی این دو مرحله قسمت اعظم چربی موجود در استخوان خارج گردید و مقدار اندک چربی باقیمانده طی مرحله دمینراله کردن استخوان از آن خارج شد.
دمینراله کردن استخوان
دمینراله کردن استخوان به منظور خارج کردن مواد معدنی موجود در آن انجام گرفت. روش کار بدین صورت بود که به نمونه استخوان چربی گیری شده ( حدود 200 گرم)مقدار 1428 میلی لیتر محلول اسید کلریدریک با غلظت 50 گرم در لیتر اضافه شد ، مخلوط حاصل به مدت دو ساعت در دمای 8 درجه سانتیگراد هم زده شد . پس از پایان زمان دمینراله کردن، فاز محلول روی مخلوط جدا شده و اوسئین حاصل (فاز جامد) به مدت 7 دقیقه با 2/6 لیتر آب مقطر شستشو گردید . استخوان دمینراله برای استخراج به روش آنزیمی مورد استفاده قرار گرفت.
استخراج به روش آنزیمی
در این روش از آنزیم نوتراز که یک پروتئاز قلیایی است استفاده شد. روش کار به این صورت بود که ابتدا pH اوسئین حاصل از مرحله دمینراله کردن با افزودن محلول هیدروکسید کلسیم با 9 pH= تنظیم شد، سپس به میزان دو برابر وزن استخوان نمونه، محلول آنزیم نوتراز با غلطت های2، 6 و 10 پی پی ام به اوسئین افزوده شد. آنگاه مخلوط حاصل در دمای 50 درجه سانتیگراد به مدت 8 ، 12 و 16 ساعت تیمار گردید (لازم به ذکر است که 9pH= و دمای50 درجه سانتی گراد pH و دمای بهینه نوتراز می باشند). دمای مخلوط مذکور توسط هات پلیت مجهز به همزن مغناطیسی در 50 درجه سانتیگراد ثابت نگه داشته شده و به طور مرتب هم زده می شد.
pH نیز توسط محلول هیدروکسید کلسیم ثابت نگه داشته شد. پس از پایان تیمار آنزیمی، مخلوط مذکور به منظور غیرفعال کردن آنزیم به مدت 1 دقیقه در دمای 100 درجه سانتیگراد حرارت داده شد. سپس pH معادل 7 تنظیم شده و عمل استخراج در دماهای 60، 70 و 80 درجه سانتیگراد به مدت 3 ساعت انجام شد. پس از پایان استخراج، محلول ژلاتین توسط صافی و قیف بوخنر صاف گردید و پس از طی مراحل خالص سازی مورد ارزیابی کمی و کیفی قرار گرفت.
خالص سازی محلول ژلاتین
به محلول های ژلاتین حاصل از روش استخراج آنزیمی، تا رسیدن به 9 pH=محلول هیدروکسید کلسیم با درجه بومه ی 6 افزوده شد. سپس با افزودن محلول سولفات آلومینیم 25 درصد pH محلول به 5/7 رسانده شد. آنگاه تا رسیدن به 5/5= pH، اسید فسفریک 10 درصد اضافه شد. در این حالت ذرات ناخالصی در محلول ژلاتین ناپایدار شده و با سانتریفوژ کردن در 2000 دور در دقیقه و سپس گذراندن از دو مرحله کاغذ صافی در قیف بوخنر جدا شدند. به محلول ژلاتین حاصل، به منظور بوگیری 6/0 گرم کربن اکتیو اضافه شده و به خوبی مخلوط گردید. سپس با سه مرحله گذراندن از کاغذ صافی در قیف بوخنر صاف گردید. محلول ژلاتین صاف شده به منظور جداسازی مواد معدنی باقی مانده در آن از ستون رزین تعویض یونی کاتیونی (پورولیت سی 100 ) عبور داده شد. محلول ژلاتین شفاف حاصل به منظور انجام آزمایش های کمی و کیفی مورد استفاده قرار گرفت.
* روش استخراج اسیدی:
طی آزمایشاتی که توسط سید هاشم حسینی پرور و همکاران (1386) انجام شد, مراحل استخراج ژلاتین در سه بخش انجام شد که عبارت بود از: آماده سازی نمونه های آزمایشی، آنالیز ترکیبات استخوان، انجام مراحل استخراج اسیدی، خالص سازی محلول های ژلاتین حاصل و سپس تعیین راندمان استخراج، بلوم، ویسکوزیته و جذب نمونه ها و نهایتا مدلینگ فرایند استخراج اسیدی.
مراحل عملی این پژوهش در چند بخش انجام شد که عبارتند از:
آماده سازی نمونه ها :
مقدار 30 کیلوگرم از استخوان های تهیه شده ابتدا توسط ساتور به قطعات چند سانتی متری خرد شده، سپس استخوان های خرد شده به وسیله ی دستگاه آسیاب چکشی به ذرات 1 تا 3 میلی متر تبدیل شدند. پس از مخلوط کردن استخوان های خرد شده نمونه های آزمایشی 200 گرمی استخوان، در نایلون های پلاستیکی بسته بندی شده و در سرد خانه 21- درجه سانتی گراد نگه داری شدند.
اندازه گیری ترکیبات استخوان (proximate analysis) مرحله بعدی است.
سپس چربی گیری از استخوان صورت می گیرد. عمل جداسازی چربی از استخوان خرد شده (پودر استخوان) با استفاده از آب در دو مرحله انجام گرفت. ابتدا با افزودن آب با دمای معمولی (حدود 20 درجه) سانتی گراد و همزدن سریع مقادیری از چربی استخوان خارج شد و سپس درمرحله ی بعد با آب با دمای حدود 40 درجه سانتی گراد این عمل دوباره تکرار شد. طی این دو مرحله قسمت اعظم چربی موجود در استخوان خارج شد و مقدار اندک چربی باقی مانده طی مرحله ی ملح زدایی استخوان از آن خارج شد.
نمک زدایی استخوان:
به منظور نمک زدایی استخوان، بر روی نمونه چربی گیری شده (حدود 200 گرم) مقدار 1428 میلی لیتر محلول اسید کلریدریک با غلظت 50 گرم در لیتر اضافه شد و در دمای 8 درجه سانتی گراد مخلوط حاصل به مدت دو ساعت هم زده شد. پس از پایان زمان دمینراله کردن، فاز محلول روی مخلوط جدا شده و اوسئین حاصل (فاز جامد) به مدت 7 دقیقه با 2/6 لیتر آب مقطر شست و شو گردید.
استخراج به روش اسیدی:
pH اوسئین بدست آمده از مرحله ی قبل به وسیله ی افزودن محلول اسید سولفوریک 4 نرمال برابر 8/1، 2/2، و 6/2 تنظیم شد و در دماهای 60 ، 70 و 80 درجه سانتی گراد به مدت 40، 80 و 120 دقیقه عمل استخراج با آب انجام گرفت. لازم به دکر است که نسبت آب افزوده شده به اوسئین برابر 2/2 بود. عمل استخراج در pH و دمای ثابت انجام شد. پس از پایان زمان استخراج، فاز محلول که در واقع محلول ژلاتین بود توسط صافی و قیف بوخنر جدا شده و پس از طی مراحل خالص سازی مورد ارزیابی کمی و کیفی قرار گرفت.
خالص سازی محلول ژلاتین:
به محلول های ژلاتین حاصل از روش استخراج آنزیمی، تا رسیدن به 9 pH=محلول هیدروکسید کلسیم با درجه بومه ی 6 افزوده شد. سپس با افزودن محلول سولفات آلومینیم 25 درصد pH محلول به 5/7 رسانده شد. آنگاه تا رسیدن به 5/5= pH، اسید فسفریک 10 درصد اضافه شد. در این حالت ذرات ناخالصی در محلول ژلاتین ناپایدار شده و با سانتریفوژ کردن در 2000 دور در دقیقه و سپس گذراندن از دو مرحله کاغذ صافی در قیف بوخنر جدا شدند. به محلول ژلاتین حاصل، به منظور بوگیری 6/0 گرم کربن اکتیو اضافه شده و به خوبی مخلوط گردید. سپس با سه مرحله گذراندن از کاغذ صافی در قیف بوخنر صاف گردید. محلول ژلاتین صاف شده به منظور جداسازی مواد معدنی باقی مانده در آن از ستون رزین تعویض یونی کاتیونی (پورولیت سی 100 ) عبور داده شد. محلول ژلاتین شفاف حاصل به منظور انجام آزمایش های کمی و کیفی مورد استفاده قرار گرفت.
مراحل استخراج ژلاتین در مقیاس صنعتی :
* پروسه تولید:
برای تهیه ژلاتین، استخوان های اسفنجی و تمیز حیوانات را انتخاب می کنند. نخست طوری به عملشان می آورند که پاره ای از موادشان زدوده می گردد. سپس با آب داغ و بخار ، بار دیگر این استـخوان ها را به عمل می آورند. چربی های استخوان بر روی آب می ایستد که با کف گیر، آن ها را دور می ریزند. آن گاه از مایعی که باقی مانده به وسیله ی تبخیر ژلاتین تهیه می کنند (دلیری ، 1373).
تمام پروسه های تولید ژلاتین از سه بخش اصلی تشکیل شده اند: استخراج ژلاتین، تلخیص و خشک کردن. بستگی به روش پیش فرایند اولیه کلاژن، دو نوع ژلاتین ( هر کدام با خصوصیات خاص) می تواند تولید شود. ژلاتین نوع A (9 -6 pH=) از کلاژن های تیمار شده با اسید و ژلاتین نوع B ( 5pH=) از کلاژن تیمار قلیایی شده به دست می آید (Stainsby, 1987). تیمار اسیدی برای کلاژن هایی که پیوند های کووالانسی کمتری تشکیل می دهند مانند ماهی و خوک مناسب است و تیمار با قلیا مناسب کلاژن های پیچیده تر که از گاو به دست می آیند است.
تبدیل مواد اولیه پیش فرایند شده به ژلاتین در پنج مرحله صورت می گیرد:
1- شست و شو 2- استخراج 3-تصفیه و خالص سازی 4- تغلیظ 5- خشک کردن
فرایند اسخراج به گونه ای طراحی می شود که با تغییرات pH، دما و زمان فرایند، حداکثر میزان ژلاتین با بهترین خواص فیزیکی و عملکردی تولید شود. در عمل ژلاتین طی سه یا چهار مرحله استخراج بدست می آید که در هر مرحله به ترتیب دما افزایش پیدا می کند. دمای استخراج مرحله اول C˚55, مرحله دوم C ˚ 60, مرحله سوم C˚ 70 و مرحله چهارم C˚ 90-80 می باشد. طی مراحل 1 تا 4، عدد بلوم (قدرت ژل) ژلاتین کاهش و میزان رنگ آن افزایش می یابد. pH مرحله استخراج بر میزان استخراج و خواص فیزیکی ژلاتین تولیدی تاثیر بسزا و تعیین کننده ای دارد. pH می تواند با هدف حداکثر کردن درصد تولید ژلاتین (pH پایین) یا بهبود خواص فیزیکی (pH خنثی) تنظیم گردد. اما در عمل pH با در نظر گرفتن هر دو عامل انتخاب می شود.
برای استخراج کلاژن بافت های بالغ در pH خنثی می بایست مقدار قابل توجهی از اتصالات عرضی شکسته شود که لازمه این امر طولانی کردن مرحله پیش فرایند می باشد. اگر از پیش فرایند قلیایی کوتاه مدت استفاده شود در آن صورت می بایست در مرحله استخراج pH پایین انتخاب شود تا سرعت تبدیل مناسب حاصل شود. اگر چه به علت اسیدی بودن محیط ژلاتین تولیدی دارای ویسکوزیته پایین تری (به دلیل وزن ملکولی کم) خواهد بود. اگر پیش فرایند در شرایطی انجام شود که با راندمان بالا صورت گیرد به تولید کننده اجازه می دهد تا از دماهای پایین تری در مرحله استخراج استفاده نماید که این امر باعث تولید ژلاتین با قدرت ژل یا عدد بلوم بالاتری می شود.
بعد از مرحله استخراج برای جداسازی مواد نامحلول مثل مواد چربی و یا فیبریل های دست نخورده کلاژن مخلوط حاصله فیلتر می شود. این مرحله معمولا با استفاده از خاک دیاتومه یا سایر روش های فیلتر کردن انجام می شود تا محلول های شفافی حاصل شود. در مرحله بعد دیونیزه شدن انجام می شود که باعث جداسازی نمک های غیر آلی باقیمانده از پیش فرایند و تنظیم pHبه محدوده pH مناسب جهت عرضه و فروش ژلاتین (pH = 5 – 5/8 ) می شود. تنها استثنا در این مورد ژلاتین حاصل از پوست خوک است که در صورت دیونیزه کردن محلول آن pH مرحله استخراج ( 4 – 4/5) همان pH ژلاتین تولید شده خواهد بود.
مرحله نهایی در تولید ژلاتین شامل تغلیظ, استرلیزاسیون و خشک کردن می باشد. این مراحل بلافاصله پس از مرحله استخراج انجام می شود. تا امکان کاهش خواص عملکردی ژلاتین به حداقل برسد.
* استخراج ژلاتین از کلاژن ماهی:
پوست ماهی می تواند به صورت تازه یا منجمد باشد که پس از انجماد زدایی از آن استفاده می شود. ابتدا به منظور حذف مواد زائد مثل چربی و خون، پوست ماهی با آب شسته می شود. به منظور رسیدن به ماده خشک 65 الی 75 درصد پوست خشک می شود که می توان پوست سالم را خشک کرد یا پس از خرد کردن به قطعات 5 الی 15 میلی متر این عمل را انجام داد. اگر در آب شستشو از ترکیبات اکسید کننده ضعیف استفاده شود، علاوه بر جلوگیری از رشد باکتری ها بازده تولید ژلاتین افزایش می یابد. این ترکیبات عبارتند از : هیپوکلریت سدیم، پتاسیم یا پراکسید هیدروژن که در غلظت 50 الی ppm 1000 به کار می روند. سپس یک مرحله شستشو با آب انجام شده, مواد در یک محلول قلیایی ضعیف قرار می گیرند.
پس از شستشو با آب خنثی مواد در یک محلول اسیدی سرد غوطه ور می شوند. اسید به کار رفته می تواند معدنی باشد مثل اسیدکلریدریک، اسید سولفوریک و اسیدفسفریک با غلظت 05/ الی3/0 درصد و میزان 20 الی 30 لیتر به ازای هر تن پوست و یا آلی باشد مثل اسیداستیک و یا اسیدلاکتیک که به همان میزان استفاده می شود.
استفاده از اسید باعث می شود تا pH محلول سریعا به حدود 2 برسد. مدت زمان فرآیند اسیدی 1 الی 8 ساعت و ترجیحا 4 ساعت می باشد. نقطه ایزویونیک بسته به شدت و مدت زمان فرآیند بین 7 الی 9 است. اسید هیدرولیز آسپاراژین و گلوتامین را به اسیدگلوتامیک و اسیدآسپارتیک محدود می کند. در مدت تیمار مواد به آرامی هم زده می شود تا بو و ترکیبات نامطلوب از پوست خارج شود. پس از گذشت مدت زمان مورد نظر پوست ها با آب خنثی شسته می شوند و در یک محلول رقیق اسید سیتریک قرار می گیرند.
غلظت اسیدسیتریک 5/0 الی 6/0 % است و استفاده از آن باعث می شود ترکیبات مولد بو و طعم ماهی بدون نیاز به تیمار قلیایی حذف شوند. پوست های تیمار شده با آب فاقد یون شسته می شود تا نمک های باقیمانده در آن از بین برود. تمام این مراحل ( از ابتدا ) در دمای 15 الی 27 درجه انجام می گیرد. پوست ها در آب قرار گرفته پخته می شوند، وقتیpH به حد 2/3 الی 9/3 رسید, مواد از آب خارج شده در یک استخراج کننده قرار می گیرند. به منظور بازیابی حرارتی بخشی از سیال خروجی، از طریق یک مبدل حرارتی سیرکوله می شود. دمای استخراج بالاتر از50 درجه سانتی گراد ( 55 الی70 درجه) می باشد.
تعداد مراحل استخراج از 3 الی 6 مرحله متفاوت است. در روش استخراج چند مرحله ای از دمای پایین استفاده می شود. و درنتیجه کیفیت ژلاتین مرغوب تر و افت کیفیت آن کمتر می شود. اولین مرحله استخراج در دمای50 الی60 درجه رخ می دهد که مولکول های سنگین وزن با ویسکوزیته بالا، کشش ژل مطلوب و رنگ روشن تولید می کنند. در استخراج های بعدی دما به اندازه 5 الی 10درجه افزایش پیدا می کند. به دلیل دمای بالاتر، مولکول های تولید شده کم وزن، کشش ژل کمتر و رنگ آن پررنگ ترخواهد بود. بیشترین مقدار ژلاتین محلول در دومین مرحله بدست می آید. حین استخراج مواد در تانک به آرامی هم زده می شوند تا قابلییت بازیافت ژلاتین در مدت زمان کمتر و دمای پایین تر، امکان پذیر شود. هرمرحله استخراج کمتر از 2 ساعت به طول می انجامد. آخرین مرحله در دمای نزدیک نقطه جوش آب انجام می شود. محصولات به دست آمده از هر مرحله باهم مخلوط می شوند. زمانی که غلظت ژلاتین در محلول استخراج شده از کلاژن، به 4 الی 5 درصد رسید، فرآیند استخراج متوقف می گردد.
محلول ژلاتین و پسماند جامد از طریق دکانتاسیون از هم جدا می شوند. محلول در حضور یک کمک فیلتر مثل خاک دیاتومه از صفحات فیلتر عبور می کند. مقادیر کم چربی باقیمانده در ژلاتین ،روی صفحات فیلتر جدا شده ژلاتین شفاف می شود pH. محلول در رنج 5 الی 7 تنظیم می شود و محلول به منظور حذف ترکیبات مخربی چون آمین و مشتقات آن از رزین تبادل یون عبورمی کند.
محلول حاصله تحت خلا تغلیظ می شود تا بوهای فرار آن خارج شود. پس از خنک شدن، در اثر جریان هوا خشک می شود؛ به این صورت که محلول تغلیظ شده به یک تسمه استیل ضد رنگ هدایت می شود که این تسمه از درون یک اتاقک خشک کن عبور می کند. در هر منطقه از این اتاقک، دما و رطوبت هوای خشک کن به دقت کنترل می شود. در ابتدا دما 30 درجه و در ا نتها دما بیش از 70 درجه می باشد. مدت زمان خشک کردن، بسته به کیفیت، غلظت و شرایط به کار رفته از 1 تا 5 ساعت متغیر است. همچنین سرعت خشک کردن به دقت کنترل می شود تا از سخت شدن سطحی یا ذوب شدن جلوگیری شود. ژلاتین حاصله خشک کن را با رطوبت10% ترک می کند و در آسیاب های خاص به اندازه دلخواه خرد می شود. بر روی پسماند حاصل از استخراج، 2 مرحله تیمار در 95 درجه به مدت 2 ساعت انجام می گیرد که مقادیر کمی ژلاتین بدون ژل بعنوان یک فرآورده جنبی تولید می کند.
تولید ژلاتین از پوست و استخوان گاو
پوست ابتدا شسته می شود و در یک محلول آب آهک و سولفید قرار می گیرد تا چربی و پروتئین های غیرکلاژنی آن حذف شود. سپس به قطعات کوچک خرد می شود. استخوان نیز حاوی مواد غیرکلاژنی یعنی مواد معدنی است که باید به طریقی آنها را حذف کرد. استخوان پس از تمیز شدن خشک می شود و به قطعات 1 الی2 سانتی متر خرد می شود. سپس در یک محلول رقیق اسیدکلریدریک قرار می گیرد تا مواد معدنی آن حذف شده به اوسئین تبدیل شود.
از اوسئین هم به روش اسیدی و هم قلیایی می توان ژلاتین تولید کرد. تیمار اسیدی آن شبیه روش به کار رفته در مورد ماهی است. تیمار قلیایی اوسئین با محلول آب آهک انجام می شود. چنانکه در مورد پوست بیان شد بسته به نوع مواد (پوست یا استخوان) اندازه قطعات و مدت زمان تیمار قلیایی 8 الی 12 هفته به طول می انجامد. اوسئین نسبت به پوست به تیمار طولانی تری نیاز دارد. تیمار از طریق تنظیم میزان قلیایی بودن آب آهک کنترل می شود. سپس مواد با آب سرد شسته می شوند تا آب آهک حذف شود. با استفاده از اسید، pH تنظیم می شود و مواد وارد مرحله استخراج با آب داغ می گردند تا ژلاتین قابل حل از کلاژن استخراج شود. بقیه مراحل از قبیل استخراج چند مرحله ای، تغلیظ، خشک کردن، خردکردن مانند روش به کار رفته در مورد ماهی می باشد. در تیمار قلیایی نقطه ایزویونیک 8/4 الی 2/5 می باشد که در صورت کوتاه شدن مدت زمان تیمار، به 6 افزایش می یابد. همچنین قلیا باعث تسریع تبدیل آسپاراژین و گلوتامین به اسیدآسپارتیک و اسیدگلوتامیک می گردد.
* شرح تفصیلی تولید ژلاتین از استخوان دام :
الف- تولید چیپس استخوان :
استخوان جمع آوری شده از سطح شهر، مراکز بسته بندی گوشت، هتل ها، رستوران ها و … به محل تولید چیپس استخوان حمل می شوند و مورد عملیات چربی زدایی قرار می گیرند. پس از عملیات چربی گیری توسط آب گرم، استخوان ها خشک می شوند. پس از خشک شدن، استخوان ها ابتدا در خرد کن اولیه وارد می شوند و پس از تبدیل به قطعات کوچک تر، وارد مرحله دوم خرد کن (خرد کن ثانویه) می گردند، در خرد کن ثانویه چیپس استخوان در سایز مورد نظر، تولید خواهد شد که پس از تولید، بسته بندی می گردد.
ب- شستشو با آب گرم قبل از استفاده در پروسه تولید :
چیپس استخوان، قبل از استفاده در مرحله اسیدزنی، مورد عملیات شستشو با آب گرم قرار می گیرد که آلودگی های احتمالی ثانویه از سطح استخوان زدوده شود.
پ-پروسه اسیدزنی :
چیپس استخوان در این مرحله وارد واکنش با اسیدکلریدریک جهت حذف مواد معدنی می گردد. استخوان در این مرحله طی زمان 4 تا 7 روز در اثر واکنش با اسیدکلریدریک، مواد معدنی خود را به دو شکل منوکلسیم فسفات و کلسیم کلراید از دست داده و تبدیل به ماده ای به نام اوسئین می گردد. اوسئین، محصول نهایی چیپس استخوان در سالن اسیدزنی می باشد. همانطور که اشاره شد، دو محصول دیگر در این سالن استحصال می گردد که اولی دی کلسیم فسفات و دومی کلسیم کلراید است که می تواند به عنوان ماده اصلی در پروسه بازیافت اسید کلریدریک مورد استفاده قرار گیرد.
ت- آهک زنی مقدماتی :
در این مرحله، اوسئین تولید شده به جهت تعدیل pH مورد واکنش خنثی سازی قرار می گیرد که این عملیات توسط آب آهک صورت می گیرد. اوسئین پس از واکنش با آب آهک به pH حدود خنثی می رسد که پس از این می توان اوسئین را برای نگهداری نیز خشک نمود و یا مستقیماّ وارد سالن لایمینگ گردد.
ث- پروسه لایمینگ (آهک زنی) :
در این مرحله از پروسه، هیدرولیز قلیایی اتصالات کووالانسی در اوسئین را خواهیم داشت تا در نهایت شکل نهایی کلاژن ظاهر گردد. در این مرحله، مواد آلی اوسئین جدا شده، همچنین چربی های درون بافتی اوسئین نیز آزاد می گردد تا نهایتا ساختار پروتئینی کلاژن ظاهر شود. مدت این پروسه بین 45 تا 56 روز متغیر است.
ج- مرحله شستشو و تعدیل شیمیایی :
محصول بدست آمده از مرحله قبل، دارای pH بالا (قلیایی) می باشد، که این دامنه pH برای ورود به مخازن استخراج مناسب نمی باشد، از طرفی ممکن است ذراتی از آهک درون بافت اسفنجی به وجود آمده، نفوذ کرده باشد که طی این پروسه، بافت پروتئینی شسته شده و کاملا عاری از ناخالصی می گردد و از نظر pH نیز به نقطه حدود 5/5 تا 6 برسد.
چ-پروسه استخراج :
در این مرحله از تولید، اوسئین آماده شده در مرحله لایمینگ پس از شستشو و آماده سازی شیمیایی به مخازن استخراج منتقل می شوند. در این مرحله در اثر تماس اوسئین با آب گرم در دماهای مختلف در رنج 50 تا 85 درجه سانتیگراد، کلاژن به مرور زمان تبدیل به ژلاتین می شود و به صورت محلول در آب، سبب افزایش غلظت لیکورموجود در مخازن استخراج می گردد که پس از رسیدن بریکس به حدود 4 تا 6 درصد، لیکور رقیق ژلاتین وارد مخزن واسطه شده و از آنجا به سمت فیلترفرستاده می شود.
ح- فیلترپرس :
در این مرحله، لیکور ژلاتین در معرض یک مرحله فیلتراسیون اولیه قرار می گیرد که در اثر این فیلتراسیون مواد زبر و خشن موجود لیکور ژلاتین از مایع جدا شده و لیکور نسبتا شفاف از فیلترها خارج می شود. دمای کاری این فیلتراسیون مشابه دمای اعمال شده در پروسه استخراج می باشد و فشار کاری بین 1 تا 5/3 بار متغیر است که رسیدن به فشار 5/3 بار نشانگر مسدود شدن مسیر فیلتر می باشد که در این زمان جریان لیکور روی جریان فیلتر بعدی عوض شده و فیلتر اشباع شده، دوباره احیاء می گردد. در این فیلتراسیون ماده کمک صافی، پالپ سلولزی می باشد.
خ- فیلتراسیون ثانویه :
لیکور عبور داده شده از فیلتر پرس در مرحله بعدی وارد فیلتر ثانویه که به نام اکوفیلتر معروف است، می گردد. در این مرحله با کمک مواد کمک صافی پرلیت و آلفاسلولز عملیات فیلتراسیون کیفیت بیشتری انجام می شود که منجر به این می شود که ذراتی که توسط فیلترپرس جدا نشده اند، در این مرحله از لیکور جدا شوند.
فشار کاری در فیلتراسیون ثانویه بین 2 تا 6 بار متغیر است و رسیدن به فشار 6 بار به معنی مسدود شدن مسیر فیلتر و نیاز به تعویض مسیر لیکور می شود.
د- یون اکسچنج یا مبدل یونی :
در این مرحله لیکور شفاف ژلاتین به منظور رسیدن به pH ایزوالکتریک ژلاتین وارد ستون های تبادل یونی کاتیونی و آنیونی می شود. فاکتور مورد نظر جهت اصلاح در این مرحله، الکتروکاند اکتیوتی و pH می باشد. از بررسی همین دو فاکتور، کارایی ستون ها ارزیابی می شود که پس از خاتمه توانایی رزین ها، لیکور به مسیر آماده بعدی فرستاده می شود و سری اول ستون ها توسط اسید و سود، احیاء می شوند. ماکزیمم حرارت قابل قبول در این مرحله 60 درجه سانتی گراد می باشد که دمای بالاتر از 60 درجه سانتیگراد، سبب آسیب رسیدن رزین ها می شود.
ذ- اولترافیلتراسیون :
لیکور ژلاتین در مرحله بعد جهت تغلیظ اولیه به سیستم اولترافیلتر وارد می شود. در این سیستم به دلیل وجود ممبران های ویژه مقداری از آب موجود در لیکور ژلاتین از آن جدا شده و ژلاتین تا حدود 2 برابر غلیظ تر می شود. (بریکس حدود 4 در این مرحله به بریکس حدود 8 تبدیل می شود.)
ر- اواپراسیون :
لیکور یک بار غلیظ شده با بریکس حدود 6 تا 8 در این مرحله تا رسیدن به بریکس حدود 25 تا 30 غلیظ می شود که این عمل، مقدمه تبدیل ژلاتین از حالت مایع به جامد می باشد.
فشار بخار ورودی به سیستم در این مرحله 8 بار می باشد و دامنه حرارتی بین 50 تا 85 درجه سانتیگراد در افکت های موثر به لیکور ژلاتین متغیر است.
ز- مخازن کنترل کیفی :
لیکور خروجی از مرحله اواپراسیون به درون مخزن واسطه ای به نام مخازن کنترل کیفیت تخلیه می شود که در این مخازن، خصوصیات فیزیکوشیمیایی ژلاتین از جمله اندازه گیری pH، ویسکوزیته، H2O2، SO2 اندازه گیری می شود که در صورت خارج بودن از محدوده مورد نظر، این مقادیر اصلاح خواهد شد.
ژ-استریلیزاتور :
در این مرحله، جهت حذف تمام آلودگی میکروبی، لیکور ژلاتین وارد سیستم استریلیزاتور می شود که در این مرحله، لیکور در معرض حرارت حدود 138 تا 142 درجه سانتیگراد برای مدت زمان 4 تا 8 ثانیه قرار می گیرد. فشار بخار ورودی در این سیستم 8-6 بار می باشد. دمای لیکور خروجی از این سیستم حدود 50 درجه سانتیگراد می باشد.
س- اکستروژن :
در این مرحله، ژلاتین جهت تغییر فرم از حالت مایع به حالت نیمه جامد ژل، وارد دستگاه اکسترودر می شود که جهت سرد کردن ژلاتین از ماده گلیکول با دمای حدود 10 درجه سانتیگراد استفاده می شود تا دمای ژلاتین به حدود 17 تا 19 درجه سانتیگراد برسد که دمای جامد شدن ژلاتین می باشد.
ش- خشک کن :
در این مرحله، نودل ژلاتین خارج شده از اکسترودر بر روی نوار نقاله دستگاه خشک کن ریخته می شود. خشک کن شامل 9 اتاقک می باشد که در دامنه حرارتی 26 تا 65 درجه سانتیگراد، دمای اتاقک ها به تدریج افزایش می یابد. ژلاتین با درصد رطوبت حدود 70 درصد وارد این سیستم می شود و نهایتا با مقدار رطوبت بین 11 تا 14 درصد از خشک کن خارج می گردد. هوای ورودی به خشک کن توسط سیستم کاتابار تهیه می شود که به وسیله ماده شیمیایی به نام کاتن رطوبت موجود در هوا حذف می شود و هوای خشک وارد سیستم خشک کن می شود.
ص- بلندر :
ژلاتین پس از بیرون آمدن از دستگاه خشک کن توسط یک خردکن که زیر قیف تخلیه قرار دارد به گرانول تبدیل می شود که پس از آن در مخازن پلی اتیلن با ظرفیت نگهداری 1000 کیلوگرم تا مشخص شدن پارامترهای فیزیکی و شیمیایی و میکروبی توسط واحد کنترل کیفیت ذخیره می شود. پس از مشخص شدن پارامترهای ژلاتین در بلوم های مختلف با توجه به نیاز مصرف کننده، ژلاتین در دستگاه بلندر، میکس شده و یکنواخت می شود.
ض- بسته بندی :
ژلاتین استحصال شده با بلوم مورد نظر از سیستم بلندر وارد سیستم بسته بندی شده و در کیسه های دو جداره از جنس PP و HDPE در سایزهای 25 کیلویی و 50 کیلویی بسته بندی می شود.
* کاربرد های ژلاتین در صنایع مختلف
فرم کلوئیدی ژلاتین با آب در شیمی فیزیک (محلول ایده آل کلوئیدی) شناخته می شود. بنابرین از نظر تکنولوژیکی ژلاتین یک هیدروکلوئید است. جدای از ژلاتین، پکتین, کاراگینان, صمغ عربی, زانتان, صمغ گوار و لوبیای خرنوب نیز در این دسته جای می گیرند. هیدروکلوئیدها در صنایع غذایی استفاده های زیادی دارند. اما نه فقط بخاطر ارزش تغذیه شان بلکه بیشتر بخاطر خواص چند منظوره ای که دارند. اگرچه یک هیدروکلوئید به تنهایی قادر به انجام همه کاربردهای مورد انتظار نیست اما ژلاتین از این قاعده مستثنی است و در مقایسه با دیگر هیدروکلوئیدها عملکرد چند منظوره آن خیلی بیشتر است. و این بدین معنی است که می تواند علاوه بر عملکرد اصلی، در دیگر توابع نیز از آن استفاده کرد. رفتار فیزیکی- شیمیایی ژلاتین توسط توالی آمینواسیدی ملکول های آن و در نتیجه ساختار فضایی آن، توزیع جرم ملکولی و همچنین شرایط محیط مانند pH, قدرت یونی و واکنش با دیگر پیوندها تعیین می شود.
خواص عملکردی ژلاتین را می توان در دو گروه جای داد. اولی خواصی هستند که به به ژل ارتباط دارند:
* قدرت ژل
* زمان ژل شدن
* دمای ذوب
* ویسکوزیته
گروه دوم ارتباط دارند به رفتار سطحی ژلاتین:
* شکل گیری و تثبیت کف و امولوسیون
* خواص چسبندگی
* رفتار انحلال
کاربرد ژلاتین در صنایع مختلف غذایی:
ژلاتین در صنایع مختلف کاربردهای وسیعی دارد به طور کلی مصارف عمده ژلاتین به شرح ذیل می باشد :
* مصارف غذایی ژلاتین:
از کاربردهای عمده ژلاتین، استفاده در تهیه شیرینی، آب نبات، مارمالاد، دسرهای آماده و … می باشد، همچنین در محصولات لبنی و فراورده های گوشتی و غذاهای منجمد به عنوان کلوئید محافظ عمل می کند. در دسرها حدود 8 تا 10 درصد وزن خشک دسر و در شیرینی ها 2 تا 3 درصد از وزن خشک شیرینی را ژلاتین تشکیل می دهد.
در محصولات لبنی و غذاهای منجمد، عمل پایدار کنندگی و کلوئیدی ژلاتین از کریستالیزه شدن یخ و شکر جلوگیری می کند. به طور کلی، ژلاتین با بلوم 250 با غلظت 25/0 % در شیرینی های خامه ای منجمد شده و تا 5/0 % در بستنی اضافه می شود و در پنیرهای روستایی به عنوان جداکننده آب عمل می کند.
* صنایع قنادی و شکلات :
در محصولات قنادی، عملکرد چند منظوره ژلاتین به عنوان یک ترکیب طبیعی موجب استفاده آن در بسیاری از محصولات غذایی متفاوت شده است. بسته به انتظارات از محصول نهایی، خواص ژلاتین از جمله خاصیت ژلی شدن، کف کنندگی، ایجاد باند، تشکیل فیلم، توانایی اتصال با آب و خاصیت الاستیته می تواند مزایای زیادی را برای محصول نهایی ایجاد کند.
مزایای استفاده از ژلاتین در صنایع قنادی :
– ماده ای بدون طعم و بو در محصول نهایی می باشد.
– عدم چسبندگی محصول نهایی در دهان
– به علت ذوب شدن کامل در دهان بافت منحصر بفردی را ایجاد می کند.
– در محلول های بسیار غلیظ به راحتی حل می شود.
– در تولید انواع محصولات هواد هی و ژلی شده کاربرد دارد.
– با بیشتر هیدروکلوئیدها سازگاری دارد.
– بدست آوردن بافت های مختلف در صنایع قنادی وابسته به بلوم و دوز مصرف ژلاتین می باشد.
– امکان کار کردن مجدد به عنوان ژل صد در صد قابل برگشت در فرایند حرارتی را دارا می باشد.
– قابل سازگاری با تجهیزات پخت و پز مدرن می باشد.
– ترکیب طبیعی و چند کاربرده است.
محصولات ژلی شده صنایع قنادی مانند محصولات جویدنی مشهور به عنوان مثال ژله، پاستیل و آدامس ها با طعم های مختلف، از مخلوط کردن شربت گلوکز، شکر و ژلاتین در قالب های نشاسته ای تولید می شوند. این محصولات ممکن است در شکل، بافت و فراوری سطحی شان متفاوت باشند که هر کدام بازار خاص خودشان را دارند.
مهم ترین خصوصیت ژلاتین در تولید محصولات قنادی هوادهی شده به عنوان مثال مارشمالو، توانایی ایجاد و تثبیت کف است. همچنین:
* پایین آوردن کشش سطحی در سطح مشترک هوا / مایع و مناسب نمودن محصول برای هم خوردن.
* تثبیت کف تولید شده به وسیله افزایش ویسکوزیته و جلوگیری از فروکش کردن کف.
* ایجاد ساختار کف.
برای مارشمالوهای تزریق شده، ژلاتین بلوم متوسط به بالا و ویسکوزیته متوسط به بالا پیشنهاد می گردد. ژلاتین بافت را از حالت نرم به حالت سخت و از فرم کوتاه به فرم بلند یا الاستیک (بسته به نوع ژلاتین، بلوم و غلظت آن و بسته به فرمولاسیون محصول) تغییر می دهد. ژلاتین تاثیر مثبت بر روی بافت محصول نهایی ایجاد می کند و به خاطر خاصیت منحصر بفرد ذوب شدن در دهان منجر به احساس دهانی و طعم متفاوت نخواهد شد. به علاوه ژلاتین خاصیت جذب آب بالایی دارد که برای زمان ماندگاری محصول نهایی بسیار سودمند است. در محصولات ژلی شده قنادی، ژلاتین با دیگر عوامل ژلی کننده کاملا سازگار است که در این راستا به انواع مختلف بافت می توان دست یافت. از مهم ترین عوامل ژلی کننده سازگار با ژلاتین در صنایع قنادی می توان نشاسته، پکتین، آگار-آگار و صمغ غربی را نام برد.
* پاستیل :
اگر نخواهیم از پاستیل هایی که در آن از ژلاتین خوکی استفاده شده است استفاده کنیم، باید به سراغ پاستیل هایی برویم که از استخوان گاو در تهیه ژلاتین آن استفاده گردیده است. برای اینکه پاستیل یا ژله ای که ژلاتین در آن استفاده شده است، ارزش غذایی مطلوبی داشته باشد، لازم است این ژلاتین به روش صحیح از استخوان گاو استخراج شود که یکی از بهترین روش های استخراج ژلاتین از استخوان گاو، روش آنزیمی است. اگر ژلاتین به بهترین صورت استخراج و فناوری شود، پاستیل ها و یا ژله هایی که از آن ساخته می شود، استحکام مناسبی دارد و به خوبی در بدن جذب می شود.
پاستیل فاقد هرگونه کالری است ولی در سال های اخیر برخی از کارخانه های تولید پاستیل، ویتامین C را نیز به محصولات خود می افزایند. برخی از کارخانه ها هم تلاش کرده اند برای تشویق مصرف کنندگان به خرید پاستیل، مولتی ویتامین ها را نیز به آن بی افزایند و با تاکید بر ارزش سلامتی پاستیل های خود، جایگاهی در بازار فروش بدست آورند.
* شکلات های میوه ای و تافی :
ژلاتین برای بهبود خاصیت الاستیستی محصول نهایی کاربرد دارد، نوعا این محصولات مواد جامد محلول بالایی داشته و میزان هوادهی خیلی کمی دارند.
* قرص های فشرده شده :
این قرص ها شامل ذرات شکر ریز یا آسیاب شده به همراه مواد طعم دهنده، روان کننده و باند کننده است که به شکل مشخص تا سختی خاصی فشرده می شوند. در این مورد ژلاتین نقش باند کننده دارد.
* صنایع گوشتی :
در محصولات گوشتی، ژلاتین با غلظت 5-1 % اضافه می شود تا کمک به نگهداری آب طبیعی آن نماید. بیشترین استفاده از ژلاتین خوراکی در تهیه دسرهای ژلاتین است که غلظت 5/2 – 5/1 % مورد استفاده قرار می گیرد. ژلاتین می تواند به صورت مخلوط با شکر و همراه با مواد معطر یا بدون آن باشد.
* صنایع لبنی :
ژلاتین به دلیل سازگاری با ساختار پروتئین شیر و عملکرد ویژه برای محصولات لبنی مناسب است و خواص کاربردی زیادی در این صنایع دارد.
ژلاتین به علت عملکرد چندگانه در بافت تمامی محصولات لبنی کاربرد دارد :
– به علت خاصیت باند شدن با آب، از آب انداختن ماست و خامه ترش جلوگیری می کند. هنگامی که ژلاتین به ماست اضافه می شود، ماده خشک بدون چربی افزایش می یابد و تشکیل شبکه هایی می دهد که آب اضافی ماست داخل این شبکه ها به دام می افتد و با توجه به اینکه نقطه ذوب ژلاتین حدود 30 می باشد از آب افتادن ماست در دمای یخچال جلوگیری می کند. همچنین هنگام قاشق زدن دلمه از بین نمی رود.
– خواص پایدارکنندگی کف و پراکندگی آن، برای دسرهای لبنی هوادهی شده به کار می رود.
– خاصیت ایجاد ویسکوزیته و وجود خاصیت سینرژیست با دیگر مواد هیدروکلوئید مانند کاراگینان، موجب می شود، ژلاتین به عنوان یک غلیظ کننده خوب محسوب شود.
– خاصیت ژل کنندگی آن، بافت محصولات لبنی کم چرب را ثابت و پایدار می کند. مضاف بر اینکه نقطه ذوب نزدیک به چربی موجب یکنواختی و خاصیت چربی مانند محصولات لبنی کم چرب می شود.
– خاصیت ذوب شدنش در دهان توانایی ایجاد یک بافت خامه ای و نرم در دهان را فراهم می آورد.
– به علت رشد مضاعف بازار در سال های اخیر در رابطه با محصولات لبنی کم چرب و بدون چربی، ژلاتین نقش عمده ای را ایفا کرده است.
– به علت نقطه ذوب نزدیک به چربی محصولات لبنی نقش عمده ای را در هنگام خوردن و احساس دهانی محصولات لبنی پر چرب ایفا می کند، این خاصیت کاربردی بافت خوبی را فراهم می کند در حالی که از آب انداختن محصولات جلوگیری می کند.
ژلاتین در مصارف تغذیه طبی به صورت زیر عمل می کند:
1- در رژیم لاغری: به علت جذب دائمی آب و عدم وجود چربی و کربوهیدرات که از نظر کالری نسبتاً ضعیف است، تجویز می شود.
2- در رژیم بدون نمک: جایگزین شدن ژلاتین به جای ماده پروتیدی در بیمارانی که نباید نمک مصرف کنند، کمک شایانی به بیمار می کند. چون اگر نمک را از غذای روزانه حذف کنیم، باعث می گردد که مواد ازته بیشتری مصرف گردد.
3- در رژیم دوره نقاهت: چون ژلاتین، پروتئین و مواد معدنی نسبتا زیادی که مورد لزوم بیمار است، دارد.
4- در درمان کم خونی (آنمی): چون ژلاتین هیستیدین دارد که به عنوان عامل بازگرداننده هموگلوبین خون (همراه با سایر مواد مانند آهن) عمل می کند.
5- در انعقاد خون: به علت ایجاد لخته مصنوعی و قدرت جذب خون، از خونریزی جلوگیری می کند.
6- به عنوان جانشین سرم خون تجویز می گردد، چون محلول رقیق تر از 8% آن به علت خاصیت نگهداری آب و جذب تدریجی آن به عمل خون سازی تدریجی کمک می نماید.
7- چون ژلاتین لایه داخلی معده و روده را می پوشاند، معمولا"همراه با سایر داروها در درمان اولسر معده و روده تجویز می گردد.
8- ژلاتین در تهیه محیط کشت باکتریها نقش عمده ای را ایفا می کند.
مصارف دارویی ژلاتین :
از ژلاتین برای تهیه کپسول های ژلاتینی نرم و سخت به عنوان روکش و بایندر به عنوان حامل شیاف ها بصورت فیلم ژلاتین قابل جذب، ژلاتین اسفنجی قابل جذب، پودر ژلاتین قابل جذب در قطره چشمی ژلاتین و همچنین به عنوان کمک پروتئینی غذایی در سوء تغذیه ها استفاده می گردد.
دلیل استفاده از ژلاتین در صنایع دارویی این است که ژلاتین یکی از خالص ترین و کامل ترین پروتئین های موجود می باشد. همچنین خیلی سریع جذب بدن می گردد. اکثر آمینواسیدهای مورد نیاز سلول های بدن در ژلاتین موجود است و تنها آمینواسیدهای حاوی سولفور در ژلاتین وجود ندارد. در کل در ژلاتین 18 نوع آمینواسید وجود دارد. یعنی از 10 آمینواسید مورد نیاز بدن 9 عدد آن در ژلاتین موجود است.
کپسول های دارویی با روکش ژلاتینی
در داروسازی، مصرف کپسول همیشه به مصرف قرص ترجیح دارد. ژلاتین هایی که برای کپسول های نرم استفاده می شود از نوع A و B می باشند. کپسول های سخت از دو قسمت تشکیل شده اند. ابتدا شکل می گیرند و بعد پر می شوند. فرایند تولید این کپسول ها بسیار مکانیزه و دقیق است تا بتواند کپسول های با ضخامت یکنواخت تولید گردد. برای ساخت این کپسول ها از ژلاتین بلوم بالا یا متوسط نوع A (250-230) و نوع B ( 250-225) یا ترکیبی از نوع A و B استفاده می شود. از دیگر مصارف ژلاتین در صنایع داروسازی، پوشش بعضی از قرص ها، جذب آب در بعضی از اعمال جراحی توسط ژلاتین می باشد.
مصارف صنعتی ژلاتین :
ژلاتین در صنایعی نظیر چسب سازی، ساخت کاغذ اسکناس، رطوبت گیر و… کاربرد دارد. از چسب های حیوانی با پایه ژلاتین برای چسباندن دو قطعه ارگانیک مانند میوه و سبزی به هم استفاده می شود. همچنین در صنایع نساجی از ژلاتین به عنوان یک ماده جهت آهار زنی، کوتینگ، تکمیل پنبه، چرم، ابریشم و پشم استفاده می شود.
در صنایع کاغذ سازی از ژلاتین جهت تولید کاغذ های خود کاربن استفاده می شود. بدین ترتیب که یک لایه نازک از ژلاتین بر پشت کاغذ زده می شود، این ژلاتین به صورت کپسول های بسیار ریزی می باشد که هنگامی که بر روی کاغذ فشار آورده شود، این کپسول ها شکسته شده و اثر ژلاتین بر روی کاغذ بعد می افتد که این حالت مانند این است که از کاغذ رویی، کپی گرفته شده است. در صنعت عکاسی از ژلاتین جهت تولید کاغذ عکس (رنگی و سیاه سفید) و همچنین تولید فیلم (فیلم های 35 میلی متری، APS، فیلم برداری، رادیولوژی و …) استفاده می گردد. تاریخ استفاده از ژلاتین در عکاسی به سال های 1870 بر می گردد که امولسیون ژلاتین جایگزین فرایند کلوئیدها گردید و به عنوان یک پیوند دهنده در محصولاتی که به نور حساس هستند استفاده شد. در طول قرن هاى هفده و هجده توجه بسیارى از دانشمندان و عالمان به سمت شیمى معطوف شد. پزشکان، قضات، معلمان و حتى روحانیون به آن امید بودند که ماده جدیدى کشف کنند. آنها با عناصر و ترکیباتى که داشتند، آزمایش هاى مختلفى انجام دادند. بسیارى از نظریه هاى ابتدائى شیمى نیز در همین دوران عنوان شد.
در سال ۱۷۲۷ تی.اچ.شولز با ترکیباتى چون نقره بر روى سطحى که پوشیده از گچ و نقره و اسیدنیتریک بود به وجود آورد. او دریافته بود که کلرور نقره (ترکیبى از دو عنصر نقره و کلرات) به وسیله نور سیاه مى شود. در سال۱۸۰۲ یعنى ۶۵ سال بعد تی.وج وود و همفرى داوى، محلول نقره را روى کاغذ مالیدند که به کار بردند. آنها براى ثبت تصویر از دوربین آبسکورا جعبه اى ساده با یک سوراخ و یک عدسى ساده به صفحه حساس نور دادند، اما قادر نبودند که تصویر را ثابت نگهدارند. این مشکل تا سال ۱۸۷۳ ادامه داشت تا آنکه توسط جی.بی.رید خاصیت سولفید سدیم هیپو کشف شد. این مورد مناطق نور نخورده را در آب به راحتى حل مى کرد و آنچه باقى مى ماند تصویر واقعى بود. در سال ۱۸۷۰ دکتر مادوکس، طریقه ساختن امولسیونى را معرفى کرد که با استفاده از ژلاتین و مخلوط کردن آن با برمور نقره به دست آمد. بعدها این مواد حساس بر روى کاغذ و فیلم عکاسى پوشش داده شد. چارلز هارپر بنیت، امولسیون را در گرماى ۳۲ درجه نگه داشت و حساسیت آن را بالا برد و گرفتن عکس را به یک بیستم ثانیه رسانید. در سال ۱۸۸۰ مواد حساس کلویون از میان رفت و جاى خود را به ژلاتین و برمور نقره داد که البته روز به روز توسط کارخانه هاى سازنده حساسیت آن هم در مقابل نور و هم در مقابل رنگ ها، تغییرات شگرفى کرد.
ژلاتین در صنایع دیگر مانند نساجی، تهیه چسب، کبریت سازی و در ساخت کاغذ پلی کپی، کارتن سازی و نیز در ساخت فیلتر لامپ های جیوه ای و همچنین به عنوان شفاف کننده اجسام مصرف می شود. ژلاتین به عنوان خاصیت نرم کنندگی در فراورده های آرایشی جهت حفظ زیبایی پوست مصرف می شود و در تهیه محیط کشت باکتری ها نیز از اقلام مهم مواد اولیه محسوب می گردد.
* خاصیت پوشاندن یا ایجاد فیلم
ژلاتین قبل از پوشاندن با شکلات یا ترکیبات دیگر به کار می رود که این مورد موجب می شود، رطوبت و روغن داخل مرکز محصول خارج نشده و خاصیت تازگی محصول همیشه حفظ شود.
ژلاتین حاصل از تخریب جزئی کلاژن بیشتر به عنوان فیلم های خوراکی، به جهت فراوانی آن و زیست تخریب پذیری آن بکار می رود. ژلاتین دارای قیمت نسبتا پایین و ویژگی های کاربردی و تشکیل فیلم عالی می باشد (Cao و همکاران، 2007). فیلم ژلاتین به عنوان سدی در برابر آب، اکسیژنو نور عمل کرده و بدلیل ممانعت از آب زدایی و کند کردن اکسایش چربی می تواند به عنوان پوششی جهت حفظ کیفیت غذا طی مدت نگه داری کمک کند (Gennadios ، Hanna & Kurth، 1997). قابل ذکر است که استفاده از فناوری نانو می تواند کارایی فیلم های خوراکی را در کاربرد های غذایی بهبود بخشد. نانو کامپوزیت ها گروهی از نانو مواد هستند که در خط مقدم توسعه بسته بندی قرار دارند. استفاده از پر کننده هایی که دارای حداقل یک بعد در محدوده نانومتریک (نانو ذرات) (مقیاس 100 – 1 نانومتر) باشند، تولید پلیمرهای نانو کامپوزیت می کنند (Alexander & Dubois 2000). نانو کیتوسان یک ماده طبیعی با ویژگی های فیزیکو شیمیایی عالی است که سازگار با طبیعت و زیست فعال است (Yang، Wang ،Huang & Hon, 2010 ). فیلم های ژلاتینی با نانودرات کیتوسان می توانند یک ماده بالقوه برای کاربردهای بسته بندی به منظور افزایش زمان ماندگاری غذاها و فراورده ها باشد. حلالیت در آب ویژگی مهم فیلم های خوراکی است. کاربرد بالقوه نیازمند عدم حلالیت در آب است تا یکپارچگی فراورده را افزایش دهد. نتایج بدست امده از آزمایشات انجام گرفته نشان می دهد که حلالیت فیلم ژلاتین با افزایش درصد نانو ذرات کیتوسان کاهش یافته است. (سید فخرالدین حسینی، مسعود رضایی 1393)
محصولات جنبی :
محصولات فرعی که در کنار واحد ژلاتین تولید می شوند عبارتند از :
* چربی : چربی استحصالی از استخوان جهت مصارف غذایی و صنعتی نظیر شمع سازی و صابون سازی
* دی کلسیم فسفات (DCP) : در تولید خمیر دندان و محصولات بهداشتی، مکملهای غذایی در خوراک دام و طیور
* پودر استخوان : جهت مصارف خوراک دام و تولید چینی
* اوسئین : جهت استفاده در لوازم بهداشتی، آرایشی
* کلرید کلسیم : در صنایع شیمیایی- سـرامیک سـازی ـ کـودهای کشـاورزی رطوبت گیر ، صنایع غذایی خصوصاً تولید پنیر
* سهم میزان مصرف ژلاتین در صنایع مختلف
ردیف
صنایع مورد مصرف
میزان مصرف (درصد)
1
صنایع غذایی (ژلاتین خوراکی)
65
2
صنایع داروسازی
10
3
صنایع عکاسی
20
4
سایر مصارف جنبی
5
جدول5 – مصارف جنبی ژلاتین
* کالاهای قابل جایگزینی :
از آنجایی که از مهم ترین ویژگی های ژلاتین، خاصیت ژل شوندگی آن می باشد و در بسیاری از موارد به عنوان پایدارکننده، قوام دهنده و امولسیفایر کننده در صنایع غذایی و دارویی استفاده می شود، لذا در مواردی که این خصوصیات ژلاتین مد نظر است، می توان از جانشین کننده های دیگری که مانند ژلاتین عمل می نمایند استفاده نمود.
آگار، کاراگینان، فورسلاران (که این سه، عصاره های جلبک دریایی قرمز هستند) و همچنین آلبومین، تخم مرغ، نشاسته، پکتین، آلژیناتها و … از این موارد هستند.
در مواردی نیز ژلاتین به عنوان تقویت کننده اسیدهای آمینه در محصولات غذایی مورد استفاده قرار می گیرد که می توان به عنوان جانشین کننده آن مستقیما از خود اسیدآمینه استفاده نمود. ژلاتین به دلیل خصوصیات ویژه آن از قبیل پایین بودن نقطه ذوب و در نتیجه حل شدن آسان در دهان، قابل بازگشت بودن ژل شوندگی آن پس از شکستن و خاصیت لاستیکی بیشتر آن نسبت به مواد جایگزینی ترجیح داده می شود. باید گفت که کالاهای جایگزین شونده ژلاتین هیچکدام قادر به ایجاد تمام خصوصیات و ویژگی های شیمیایی و فیزیکی ژلاتین نمی باشند.
* نتیجه گیری :
با توجه به اینکه جامعه کنونی ما در جهت خودکفایی سیر می کند و ژلاتین یک ماده ژرمصرف در صنایع غذایی و دارویی است, استفاده بهینه از تولیدات و راه های بهره گیری از ضایعات غیر دامی می تواند در این راه موثر واقع شود. در نتیجه کاهش واردات آن به کشورکه عمدتا از پوست خوک و ضایعات دامی تهیه گردید باعث اطمینان از سلامت و کیفیت ژلاتین تولیدی و بالطبع مواد غذاییدیگر که این محصول در فرمولاسیون آنها به کار میرود شده و این کار از شیوع بیماری های خطرناک جلوگیری کردهو باعث ارتقای بهداشت و سلامت جامعه می شود.
منابع:
* Gelatin alternatives for the food industry: recent developments, challenges and prospects، A.A. Karim* and Rajeev BhatT 2008
* Fish gelatin: properties, challenges, and prospects as an alternative to mammalian gelatins ، A.A. Karim*, Rajeev Bhat 2009
* Gelatin structure and composition linked to hard capsule dissolution:
A review، Anne Duconseille a, Thierry Astruc a, Naira Quintana b, Filip Meersman b,
* V_eronique Sante-Lhoutellier a, *
* The effect of enzymatic hydrolysis time and temperature on the properties of protein hydrolysates from Persian sturgeon (Acipenser persicus) viscera ، Mahmoudreza Ovissipour,*, Abdolmohammad Abedian, Ali Motamedzadegan, Barbara Rasco, Reza Safari, Hoda Shahiri
* REVIEW: GELATIN, SOURCE, EXTRACTION AND INDUSTRIAL APPLICATIONS ، Abdalbasit Adam Mariod , *, Hadia Fadol Adam
* Effects of salt and sugar addition on the physicochemical propertiesand nanostructure of fish gelatin ، Li Cheng Sow a, b, Hongshun Yang، Received 21 August 2014
* Optimization of physico-chemical properties of gelatin extracted from fish skin of rainbow trout (Onchorhynchus mykiss)
* H. Shahiri Tabarestani a,*, Y. Maghsoudlou a, A. Motamedzadegan b, A.R. Sadeghi Mahoonak، Received 15 November 2009
* REVIEW: GELATIN, SOURCE, EXTRACTION AND INDUSTRIAL
APPLICATIONS ،Abdalbasit Adam Mariod, , Hadia Fadol Adam
* جایگزینی بخشی از ژلاتین با صمغ فارسی و استفاده از کندر برای تولید پاستیل فراسودمند، سلیمان عباسی، سودامه محمدی و سمیه رحیمی. 1390
* کاربرد ژلاتین ماهی به عنوان یکی از مهم ترین منابع ژلاتین حلال در دنیا ، سعیده ابدالی، علی معتمدزادگان، اولین سمینار ملی امنیت غذایی 1390
* کاربرد ژلاتین به عنوان هیدروکلوئید جایگزین چربی در تولید خامه کم چرب، عسگر فرحناکی، زهرا صفری و همکاران 1389
* بررسی اثر پیش فراوری بر راندمان و قدرت ژل ژلاتین حاصل از پوست ماهی فیتوتاک، رضا اسماعیل زاده کناری و همکاران، 1389
* جداسازی کلاژن از ضایعات ماهی هوور دم دراز Thunnus tonggol (پوست، استخوان و باله ها)، سمیرا هاشمی جوکار، احسان کامرانی، علیرضا سالارزاده، دلارام نخبه زارع، 1392
* بهبود خواص ژلاتین پوست کاریچون ماهی با استفاده از سولفات منیزیم، صمغ کتیرا, گلیسرول، ساکارز و نیترات آمونیوم درpH های مختلف؛ شبنم بهنام، علی طاهری، حسن کاکوئی، 1387
* کاربرد ژلاتین به عنوان هیدروکلوئید جایگزین چربی در تولید خامه کم چرب، عسگر فرحناکی، زهرا صفری، فرزانه احمدی گورجیغلامرضا مصباحی، 1389
* اثر پیش فراوری بر راندمان و قدرت ژلاتین حاصل از پوست ماهی فیتوتاک، رضا اسماعیل زاده کناری، الهام شکوه صارمی و علی معتمدزادگان، 1389
* محصولات ژلاتینی حلال, سعید خانزادی
* تهیه و ارزیابی فیلم های زیست نانوکامپوزیت بر پایه ژلاتین ماهی تقویت شده با نانو ذرات کیتوسان، سید فخرالدین حسینی، مسعود رضایی، 1393
* بررسی و مقایسه کیفیت ژلاتین اسیدی و قلیلیی پوست و باله کپور فیتوفاگ با منابع دیگر، هدیه علوی، حمید توکلی پور، احمد غرقی ،آذرماه 1384
* کاربرد ژلاتین به عنوان هیدروکلوئید جایگزین چربی در تولید خامه کم چرب، نویسندگان: عسگر فرحناکی زهرا صفری، فرزانه احمدی گورجی ، غلامرضا مصباحی 1389
* مقایسه کیفیت ژلاتین تهیه شده از منابع مختلف حیوانی، عاطفه رضایی زاده، زینب امیری رفتنی؛ 1393
* بررسی اثر پیش فراوری بر راندمان و قدرت ژل ژلاتین حاصل از پوست ماهی فیتوفاک، *رضا اسماعیل زاده کناری 1، الهام شکوه صارمی 2و علی معتمدزادگان1390
1