Collagen là thành phần chính của chất nền ngoại bào trong mô liên kết của động vật có vú. Gần đây, các nhà nghiên cứu Việt Nam đã thành công trong việc chiết tách collagen từ thủy sản, vừa tận dụng được nguồn nguyên liệu dồi dào trong nước, vừa an toàn hơn cho sức khỏe con người.

Về collagen

Chiếm hơn 30% tổng khối lượng protein trong cơ thể người, collagen giữ các mô tế bào dính kết với nhau, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo lập các cơ quan như xương, da, cơ, gân, dây chằng,...

Phân tử collagen là một protein hình trụ, gồm 3 chuỗi polypeptide xoắn vào nhau, có đường kính khoảng 1,5 nm và chiều dài 300 nm. Cấu trúc của collagen là một mô hình Gly-X-Y lặp đi lặp lại, trong đó X và Y có thể là bất kỳ amino acide nào đó, nhưng chủ yếu là proline và hyroxyproline. Phần lớn collagen trong lớp ngoại bào có dạng sợi, thông qua quá trình tạo sợi, các phân tử collagen tổ hợp với nhau hình thành nên các vi sợi (microfibril) bao gồm 4-8 phân tử collagen. Nhiều vi sợi collagen hợp thành sợi Fibril, nhiều sợi Fibril hợp thành các sợi lớn hơn (Fiber) và cao hơn nữa là các bó sợi (Hình 1).

Hình 1. Vị trí và cấu trúc của sợi collagen

Cho đến nay, có ít nhất 29 loại collagen đã được xác định và phân nhóm dựa trên cấu trúc của chúng, mỗi loại có trình tự amino acide và tính chất sinh lý khác nhau (Bảng 1). Phổ biến nhất và có nhiều nhất trong cơ thể là collagen dạng sợi loại I. Các sợi collagen đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện chức năng cơ sinh học của mô liên kết. Nó tạo thành lớp thịt của cơ thể - xương, sụn, gân và dây chằng, cũng như thân thịt bên trong - gan, nang và mô đệm của các cơ quan nội tạng, mạc treo và màng não. Collagen tham gia vào chức năng chuyển hóa của mô liên kết thông qua quá trình thực bào, miễn dịch, cầm máu và điều hòa chuyển hóa tế bào.

Bảng 1. Một số loại collagen phổ biến và vị trí trong cơ thể người

Nguồn: Marine Collagen (Bayramoglu and Kaptanoğlu, 2021)

Do có tính sinh miễn dịch thấp, có thể điều chỉnh khả năng phân hủy sinh học, không có độc tính, tính tương hợp sinh học và độ dẻo tốt mà collagen được nghiên cứu chủ yếu nhằm tạo ra các vật liệu dùng cho y tế và mỹ phẩm. Collagen được biến đổi để tạo ra các vật liệu ở các dạng, cấu trúc và độ bền khác nhau. Nó có thể được kết hợp với các hoạt chất sinh học và y tế để kiểm soát tế bào và các quá trình sinh hóa cần thiết nhằm điều trị hiệu quả. Ngoài ra, collagen còn có vai trò quan trọng trong phục hồi chức năng của các mô liên kết, giúp chữa lành các vết thương trên da, các khiếm khuyết ở cơ và các cơ quan nội tạng.

Nguyên liệu truyền thống để sản xuất collagen là từ da, xương và sụn của các loài động vật trên cạn (như bò, heo, các loại gia cầm). Tuy nhiên, do có nguy cơ lây lan các bệnh truyền nhiễm từ động vật (như bệnh não thể xốp ở bò, cúm gia cầm, lở mồm long móng), hoặc do các ràng buộc liên quan đến tôn giáo, nguồn nguyên liệu này đang được thay thế bởi các phụ phẩm sau quá trình sơ chế thủy hải sản (gồm da, xương hoặc vảy) vốn đang được dùng để sản xuất các sản phẩm có giá trị thấp hoặc phân bón. Một số nghiên cứu về phương pháp chiết xuất collagen từ các loài thủy hải sản trên thế giới đã được tổng hợp ở nghiên cứu “Marine Collagen” (Bảng 2).

Bảng 2. Một số loài sinh vật biển đã được sử dụng để tách chiết collagen

Nguồn: Marine Collagen (Bayramoglu and Kaptanoğlu, 2021)

Nghiên cứu tách chiết collagen từ thủy hải sản tại Việt Nam

Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu Việt Nam đã thử nghiệm chiết tách collagen từ nguồn thủy sản dồi dào trong nước. Một số kết quả nghiên cứu phục vụ trong y học và sản xuất các loại thực phẩm chức năng đã được cấp bằng độc quyền sáng chế/giải pháp hữu ích. Đầu năm 2022, thêm hai nghiên cứu mới được công bố, cho thấy tiềm năng phát triển của lĩnh vực này ở trong nước rất hứa hẹn.

Tách chiết collagen từ sứa biển phục vụ sản xuất thực phẩm chức năng

Sứa biển là loài động vật biển có cấu tạo hóa học đơn giản từ nước và protein, trong đó, 60% protein trong sứa là collagen. Nghiên cứu đầu tiên tách chiết collagen từ sứa đã được các nhà khoa học Nhật Bản thực hiện và công bố trên tạp chí “Journal of the Science of Food and Agriculture” vào năm 1999, với tên gọi “Collagen of edible jellyfish exumbrella”. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp hòa tan collagen trong pepsin, cho năng suất 46,4% theo khối lượng của sứa đông khô.

Tại Việt Nam, khoảng 26 loài sứa đang được khai thác, tập trung chủ yếu tại vùng ven biển phía Bắc, với sản lượng lên tới hàng trăm nghìn tấn/năm. Tuy nhiên, sứa mới chỉ được khai thác, chế biến theo phương pháp truyền thống, làm thực phẩm phục vụ tiêu dùng nội địa. Do đó, để tận dụng nguồn sứa biển rất dồi dào, các nhà nghiên cứu tại Viện Tài nguyên và Môi trường biển (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã đề xuất và được Bộ Công Thương giao nhiệm vụ triển khai đề tài “Nghiên cứu công nghệ ứng dụng enzym trong sản xuất collagen từ nguồn lợi sứa biển Việt Nam”. Đề tài nằm trong khuôn khổ Đề án phát triển và ứng dụng công nghệ sinh học lĩnh vực công nghiệp chế biến đến năm 2020, vừa được nghiệm thu vào cuối tháng 12/2021.

Nghiên cứu sử dụng 3 phương pháp: ứng dụng công nghệ hóa học truyền thống, sử dụng công nghệ đơn enzyme và công nghệ đa enzyme. Trong đó, phương pháp đơn enzyme pepsin cho thấy có nhiều ưu thế về hiệu quả tách chiết và thời gian áp dụng. Các nhà nghiên cứu đã xây dựng được quy trình công nghệ, mô hình thiết bị ứng dụng enzyme để tách chiết collagen từ sứa biển Việt Nam với quy mô từ 1.000kg nguyên liệu/mẻ; sản xuất được 522kg bột collagen có độ tinh khiết từ 82,6-83,7% và 75.000 viên nang thực phẩm chức năng chứa collagen (hàm lượng ≥ 200 mg/viên), đảm bảo độ an toàn và đạt tiêu chuẩn chất lượng theo quy định của Bộ Y tế (Hình 2).

Hình 2. Sản phẩm của đề tài nghiên cứu: bột collagen “Collagen Jell” và viên nang thực phẩm chức năng “CollaJell” (Nguồn: Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam)

Với tiềm năng thương mại hóa cao, nghiên cứu đã được Hội đồng nghiệm thu kiến nghị Bộ Công thương tiếp tục đầu tư nghiên cứu sản xuất thử nghiệm, nhằm hoàn thiện công nghệ và thiết bị ở quy mô công nghiệp, góp phần tăng hiệu suất sản xuất, giảm giá thành sản phẩm, tăng quy mô sản xuất và nhân rộng ra nhiều cơ sở sản xuất để tận dụng nguồn nguyên liệu sứa biển còn rất lớn ở Việt Nam.

Tách chiết collagen từ vảy cá nước ngọt phục vụ chế tạo vật liệu y sinh

Để tận dụng nguồn phế phẩm vảy cá và góp phần hạn chế ô nhiễm môi trường, trước đây, việc tách chiết collagen từ vảy cá đã được các nhà khoa học tại Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM quan tâm nghiên cứu, với đối tượng là cá rô phi. Các nhà nghiên cứu đã tạo ra được 3 loại sản phẩm collagen tinh sạch, dạng bột bằng các công nghệ sấy phun và sấy thăng hoa. Tuy nhiên, các nghiên cứu tách chiết collagen này phần lớn nhằm phục vụ sản xuất thực phẩm chức năng, ít nghiên cứu phục vụ chế tạo vật liệu y sinh.

Với mong muốn tận dụng nguồn phế phẩm để sản xuất được collagen sạch và an toàn làm nguồn vật liệu giúp cầm máu vết thương, tái tạo mô và bào chế thuốc hỗ trợ điều trị bệnh gout, TS. Nguyễn Thúy Chinh và các cộng sự tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã nghiên cứu thành công “Phương pháp chiết tách collagen từ vảy cá nước ngọt Việt Nam”. Giải pháp này đã được Cục Sở hữu trí tuệ cấp bằng độc quyền giải pháp hữu ích số 2-0002775, công bố trong tháng 01/2022.

Kết quả tách chiết collagen từ vảy cá đã thu được collagen loại I với cấu trúc dạng sợi, đường kính 0,5-1 micromet. Các sợi collagen tập trung thành bó, với kích thước 2,5-4 micromet. Từ collagen dạng gel, nhóm nghiên cứu đã phối trộn với hoạt chất ginsenoside Rb1 (một hợp chất hóa học thuộc họ ginsenoside, tìm thấy trong chi thực vật Panax, có tác dụng chống viêm, chống dị ứng) và polyphenol từ trà hoa vàng rồi đưa vào xilanh của thiết bị in 3D để in thành màng sản phẩm có thể dán lên vết thương (Hình 3). Thử nghiệm tiến hành tại Học viện Quân y cho kết quả: chuột được dùng gạc màng collagen có thời gian cầm máu giảm một nửa; sau 7 ngày, với cùng một kích thước vết thương, diện tích của vết thương ở chuột dùng gạc màng collagen nhỏ hơn khoảng 8% khi so với nhóm chỉ sử dụng gạc thông thường.

Hình 3. Quá trình in 3D màng collagen từ vảy cá làm vật liệu cầm máu. (Nguồn: NVCC)

Nhóm nghiên cứu đang tiếp tục tối ưu quy trình tách chiết, tăng độ tinh khiết, bổ sung các đánh giá về khả năng tự tiêu trong cơ thể. Từ đó, mở rộng ra các sản phẩm có hiệu quả cả với vết thương bên trong cơ thể. Do môi trường, nhiệt độ vùng miền cũng có ảnh hưởng tới chất lượng của collagen trong vảy các loài cá, nên việc mở rộng nghiên cứu đối với từng loài, ở những môi trường sống khác nhau, sẽ giúp đạt được sản lượng collagen thu được tối ưu.

***

Có thể thấy, các nhà nghiên cứu trong nước đã từng bước làm chủ công nghệ tách chiết collagen để sản xuất thực phẩm chức năng, cũng như các loại vật liệu y sinh. Với nguồn tài nguyên thủy sản còn dồi dào, chưa được khai thác tối ưu, việc nghiên cứu, ứng dụng collagen vẫn còn nhiều cơ hội phát triển, tạo ra nhiều khả năng thương mại hóa trong tương lai. Hơn thế, sản xuất collagen từ nguồn nguyên liệu trong nước với mức chi phí hợp lý sẽ giúp các doanh nghiệp tự chủ hơn trong sản xuất, giảm dần phụ thuộc vào các sản phẩm ngoại nhập.

Duy Sang

--------------------------------------------------------------------------------

Tài liệu tham khảo chính

[1] Bayramoglu and Kaptanoğlu. Marine Collagen. Studies in Natural Products Chemistry, 121-139.
[2] Bích Ngọc. Tách chiết Collagen từ vảy cá nước ngọt. https://khoahocphattrien.vn/khoa-hoc/tach-chiet-collagen-tu-vay-ca-nuoc-ngot/2022021709471614p1c160.htm
[3] Minh Tâm. Nghiên cứu công nghệ ứng dụng Enzyme trong sản xuất Collagen từ nguồn lợi sứa biển Việt Nam. https://vast.gov.vn/web/guest/tin-chi-tiet/-/chi-tiet/nghien-cuu-cong-nghe-ung-dung-enzyme-trong-san-xuat-collagen-tu-nguon-loi-sua-bien-viet-nam-31813-463.html
[4] Nguyễn Công Bỉnh và Nguyễn Minh Xuân Hồng. Tách chiết, tinh sạch và ứng dụng collagen thủy phân từ da cá. Tạp chí Nông nghiệp và Phát triển số 5/2018
[5] Shekhter et al. Medical Applications of Collagen and Collagen-Based Materials. Current Medicinal Chemistry, Vol 26