Nghiên cứu tách chiết được protein ra khỏi các thành phần khác trong bã rượu để thu nhận và tạo chế phẩm có hàm lượng protein cao hơn, bên cạnh đó đánh giá được tính chất của chế phẩm pr
TỔNG QUAN
Nguồn protein tiềm năng từ phụ phẩm thực phẩm
Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên hợp quốc (FAO) ước tính khoảng 1/3 lượng lương thực toàn cầu bị thất thoát hoặc lãng phí hàng năm, tương đương 1,3 tỉ tấn lương thực và 1 nghìn tỉ USD chi phí kinh tế Khi các quy định về môi trường ngày càng nghiêm ngặt, ngành công nghiệp thực phẩm cần tìm cách xử lý chất thải hiệu quả hơn Tương lai sẽ tập trung vào việc tối đa hóa nguồn lực và thu hồi sản phẩm phụ từ ngành thực phẩm Các sản phẩm giàu protein có thể được chiết xuất từ phụ phẩm này, cung cấp nguyên liệu thực phẩm mới với các thuộc tính dinh dưỡng và công nghệ như tạo gel, nhũ và bọt, đồng thời bổ sung dinh dưỡng cho thực phẩm.
Trong ngành công nghiệp thực phẩm, nhiều phụ phẩm từ quá trình thu hoạch và chế biến ngũ cốc, cây họ đậu và hạt có dầu có thể trở thành nguồn protein tiềm năng Các protein trong gạo được chú ý do giá trị dinh dưỡng và lợi ích sức khỏe, với cám gạo là nguyên liệu hứa hẹn để nâng cao giá trị protein Ngoài ra, cám yến mạch, cám lúa mì và ngũ cốc đã qua sử dụng cũng là những sản phẩm phụ có thể chiết xuất protein Chất thải từ khoai tây công nghiệp, như vỏ và lá, chứa patatin, một loại protein chất lượng cao Sự quan tâm đến sản phẩm phụ từ chế biến khoai tây đang gia tăng, trong khi nghiên cứu về chiết xuất protein từ bông cải xanh cũng cho thấy tiềm năng kinh tế và môi trường thông qua việc xử lý các phần thừa của chúng.
Trong quá trình chế biến các loại cây có dầu như đậu tương, đậu phộng, hạt cải dầu và hạt hướng dương, sản phẩm phụ thường thu được là bã ép Những bã này có thể chứa hàm lượng protein lên đến khoảng 50% khối lượng khô.
Bã ép từ quá trình chiết xuất dầu hướng dương là nguồn protein thực phẩm chức năng đầy hứa hẹn nhờ hàm lượng protein cao và sự hiện diện thấp của các hợp chất kháng dinh dưỡng Trong chế biến đậu nành để sản xuất đậu phụ và sữa đậu nành, bã đậu và váng sữa đậu nành là hai sản phẩm phụ phổ biến Tương tự như whey từ sữa, trước đây là sản phẩm thải bỏ chính trong ngành công nghiệp sữa, nhưng hiện nay đã được đánh giá lại thành công Nước đậu cũng được sản xuất với số lượng lớn, và nếu không được tái sử dụng, việc thải bỏ nó có thể gây ra tác động môi trường nghiêm trọng và tăng chi phí kinh tế Do đó, nghiên cứu về whey đậu nành nên được xem như một mô hình thành công tương tự như whey sữa, nhờ vào khả năng sử dụng của các phần giàu protein này.
Các protein có giá trị với các đặc tính chức năng và hoạt tính sinh học riêng biệt có thể được tìm thấy trong sản phẩm phụ từ giết mổ thủy sản, gia cầm và chế biến thịt đỏ, có khả năng sử dụng cho thực phẩm và thức ăn chăn nuôi Các protein dạng sợi như collagen, keratin và elastin là nhóm protein chính trong các chất thải này Đặc biệt, collagen và gelatin thủy phân đang được ứng dụng trong phát triển thực phẩm chức năng Ngành công nghiệp thực phẩm là lĩnh vực sử dụng collagen phổ biến nhất, với ứng dụng trong nhiều sản phẩm thực phẩm và các sản phẩm chức năng như lớp vỏ ăn được cho xúc xích và các sản phẩm thịt.
Việc thu hồi protein từ phụ phẩm nông nghiệp gặp nhiều trở ngại, bao gồm quy trình xử lý phức tạp, tăng chi phí sản xuất và giảm chất lượng sản phẩm Quan điểm tiêu cực của người tiêu dùng về sản phẩm phụ cũng ảnh hưởng đến khả năng chấp nhận của họ Do đó, nâng cao nhận thức cộng đồng và xây dựng thương hiệu là cần thiết Tuy nhiên, các sản phẩm phụ này lại chứa nguồn protein chất lượng cao, với tiềm năng lớn trong chế độ dinh dưỡng Số lượng nghiên cứu về chúng đang gia tăng, cùng với các ứng dụng tiềm năng Công nghệ lọc sinh học đang phát triển nhanh chóng, cung cấp giải pháp bền vững để tối đa hóa giá trị của nguyên liệu này Ngoài protein, các sản phẩm phụ khác như carbohydrate, lipid và vi chất dinh dưỡng cũng có thể được sử dụng trong các quy trình công nghiệp hoặc sản xuất thực phẩm khác như côn trùng, vi tảo, và thịt nhân tạo.
Bảng 1.1: Thu hồi protein từ phụ phẩm thực phẩm của ngành công nghiệp thực phẩm
Nguồn phụ phẩm Nguồn gốc Thu nhận
Chế biến dầu thực vật
Quá trình xử lý nhiệt có thể làm giảm năng suất chiết xuất protein Việc chiết xuất ở pH tự nhiên mang lại năng suất tương đương với chiết xuất kiềm nhẹ hoặc trung tính Năng suất chiết xuất có thể được cải thiện thông qua việc sử dụng protease.
Khô hạt cải dầu đã tách béo
Khả năng tạo bọt, nhũ và hấp thụ nước/dầu giảm khi pH giảm Protein chiết xuất ở pH 9,0 có màu sáng hơn và hàm lượng D-amino, glucosinolate, axit phytic cùng sinapine thấp hơn Ngược lại, protein thu được ở pH 4,5 có giá trị thấp nhất về glucosinolate, axit phytic và sinapine.
Bã ép dầu hạt hướng dương
Nhận các phần thô giàu protein bằng cách nghiền bột hướng dương qua máy nghiền búa và phân loại không khí bằng máy phân loại ziczac.
Sự gia tăng hydrat hóa của dung môi cồn và nhiệt độ trong quá trình chiết xuất dẫn đến việc tăng cường thành phần protein trong sản phẩm Đồng thời, độ hòa tan của protein trong bột đã khử chất béo giảm do ảnh hưởng của quá trình hydrat hóa dung môi và nhiệt độ thu nhận.
Cám gạo, tách béo, đã ứng dụng thành công phương pháp chiết xuất hỗ trợ vi sóng (MAE) để thu được protein cám gạo với sản lượng cao hơn so với chiết xuất bằng kiềm Phương pháp này cũng tăng cường các đặc tính chống oxy hóa và chức năng thông qua quá trình thủy phân bằng Alcalase, đồng thời cải thiện khả năng tạo bọt và chỉ số hoạt động của nhũ tương với mức độ thủy phân đạt 5,04%.
Thu được lượng protein tối đa (1,976g / L) tương ứng với 92% trên mỗi sinh khối khô là ở 80°C, pH 9,3, 30 phút
( Theo Z Avelar, R M Rodrigues, R N Pereira, and A A Vicente [5])
Bã rượu – nguồn protein tiềm năng
1.2.1 Tình hình sản xuất cồn, bã rượu trên thế giới và Việt Nam
1.2.1.1 Tình hình sản xuất cồn và thu hồi bã rượu trên thế giới
Ngành công nghiệp sản xuất cồn ethanol là một trong những ngành phát triển mạnh trên toàn thế giới Cồn ethanol được sử dụng với nhiều mục đích khác
4 nhau trong cách lĩnh vực như năng lượng, y tế, thực phẩm và nhiều ngành công nghiệp khác
Tổng sản lượng cồn được sản xuất trên toàn cầu có xu hướng tăng ngoại trừ
Năm 2021, sản lượng cồn ước đạt 103,30 tỉ lít, mặc dù bị ảnh hưởng bởi đại dịch Covid-19 trong năm 2020 Hoa Kỳ và Brazil dẫn đầu thế giới về sản xuất cồn, với 56,84 tỉ lít và 27,7 tỉ lít tương ứng Sự gia tăng nhu cầu về năng lượng sinh học và các ngành liên quan đã thúc đẩy sự phát triển của sản xuất cồn ethanol.
Trong quá trình sản xuất cồn ethanol, ngoài sản phẩm chính là cồn ethanol, còn có các phụ phẩm như bã rượu, CO2, dịch sau chưng cất và dầu ngô Bã rượu là phụ phẩm có giá trị cao nhất, có thể chế biến thành bã rượu khô và bã rượu khô bổ sung dịch chưng cất cô đặc (DDGS) Theo ước tính, từ 100 kg nguyên liệu ngô, có thể thu được khoảng 40,88 L cồn ethanol, 32,64 kg DDGS và 32,64 kg CO2 Với tổng sản lượng hàng năm hơn 100 tỉ lít cồn, lượng bã rượu tạo ra lên tới trên 87 triệu tấn bã rượu khô Hoa Kỳ là quốc gia có sản lượng cồn lớn nhất, dẫn đến lượng bã rượu khoảng 50 triệu tấn các dạng sản phẩm bã rượu mỗi năm.
1.2.1.2 Tình hình sản xuất cồn và thu hồi bã rượu tại Việt Nam
Ngành sản xuất rượu cồn và cồn thực phẩm đang được chú trọng phát triển, với sản lượng hàng năm vượt qua 300 triệu lít Theo Quyết định Phê duyệt phát triển ngành bia, rượu và nước giải khát tại Việt Nam, sự tăng trưởng này cho thấy tiềm năng lớn của thị trường.
Hình 1.1: Sản lượng ethanol trên thế giới theo quốc gia và khu vực
Hoa Kỳ Brazil Khu vực Châu Âu Trung Quốc Ấn ĐộCanadaThái LanArgentinaCác quốc gia còn lại
Nam đến 2025, tầm nhìn đến 2035 thì Việt Nam sẽ sản xuất 350 triệu lít rượu/năm trong giai đoạn tiếp theo
Cả nước hiện có nhiều nhà máy sản xuất cồn thực phẩm lớn với công suất thiết kế khoảng 20 triệu lít/năm, chủ yếu sử dụng gạo làm nguyên liệu chính Theo Công ty Cổ phần Cồn Rượu Hà Nội (Halico), từ 100 tấn gạo nguyên liệu (độ ẩm 8 – 10%) có thể sản xuất được 42,600 lít cồn và khoảng 50 tấn bã (độ ẩm 70%) Điều này dẫn đến ước tính hàng năm, các nhà máy sẽ tạo ra khoảng 2,4 triệu tấn bã rượu gạo ướt (độ ẩm 70%) Bên cạnh đó, còn có các nhà máy sản xuất cồn nhiên liệu.
Bảng 1.2: Các nhà mày sản xuất cồn thực phẩm tại Việt Nam
Tên đơn vị Địa điểm Công suất
Công ty Cổ phần Rượu và Nước giải khát Hà Nội (Halico) Bắc Ninh 12,0
Công ty Cổ phần Rượu Bình Tây Bình Dương 4,5
Công ty cổ phần Bia Rượu Nước giải khát Sài Gòn – Đồng Xuân Phú Thọ 1,5
Công ty cổ phần Việt Pháp Victory Hòa Bình 1,2
Bảng 1.3: Sản lượng các nhà máy cồn nhiên liệu tại Việt Nam
Nhà máy Địa điểm Công suất
Tiêu thụ sắn lát (Tấn/ năm)
Nhà máy cồn Đồng Xanh Quảng Nam 120 300000
Nhà máy cồn Bình Phước Bình Phước 100 250000
Nhà máy Cồn Dung Quất Quảng Ngãi 100 250000
Nhà máy Cồn Phú Thọ Phú Thọ 100 250000
Một số sản phẩm bã rượu gạo công nghiệp bao gồm: (a) bã rượu gạo ướt (DWS), (b) bã rượu gạo khô (DDG), và (c) bã rượu gạo khô có bổ sung dịch cô đặc (DDGS).
6 sản xuất chính là sắn ở dạng tươi hoặc khô và sản lượng hàng năm lớn hơn 100 triệu lít
Các nhà máy sản xuất cồn với nồng độ 14% (v/v) tạo ra khoảng 30% bã rượu từ nguyên liệu Với lượng sắn tiêu thụ ước tính hơn 1 triệu tấn, các nhà máy này sẽ sản xuất hơn 300 tấn bã rượu sắn, dẫn đến tổng sản lượng bã rượu khô đạt 350 nghìn tấn DDGS mỗi năm Đây là nguồn phụ phẩm dồi dào có tiềm năng ứng dụng cao.
Bã rượu ướt (WDS) Dịch trong
Bã rượu khô bổ sung dịch cô đặc (DDGS)
Hình 1.3: Quy trình sản xuất cồn và thu hồi bã rượu công nghiệp
7 dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau Ngoài ra còn sản lượng rất lớn lượng rượu được nấu bởi các hộ cá thể và làng nghề truyền thống
1.2.2 Thu hồi bã rượu từ quy trình sản xuất cồn
Bã rượu là sản phẩm phụ từ quá trình chưng cất cồn (ethanol) từ nguyên liệu giàu tinh bột như gạo, ngô, lúa mì và sắn Có hai loại bã rượu: bã rượu ướt (Distillers Wet Grains - DWG) với độ ẩm 70-80% và bã rượu khô, có độ ẩm dưới 10% Bã rượu khô được chia thành DDG (Distillers Dried Grains) và DDGS (Distillers Dried Grains with Solubles), trong đó DDG là bã rượu sấy khô không bổ sung dịch, còn DDGS là bã rượu ướt có bổ sung dịch đã được cô đặc và sấy khô Quy trình sản xuất cồn và thu hồi bã rượu được minh họa trong Hình 1.3.
1.2.3 Sản xuất và thu hồi bã rượu từ quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời
1.2.3.1 Sản xuất cồn từ quy trình dich hóa, đường hóa và lên men đồng thời
Quá trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời (SLSF) hay quy trình sản xuất cồn không gia nhiệt mang lại nhiều lợi ích, bao gồm tăng năng suất cồn, tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí đầu tư Trong quy trình này, ba giai đoạn dịch hóa, đường hóa và lên men được thực hiện đồng thời.
Dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời,
Hình 1.4: Quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời
8 một thiết bị duy nhất, ở cùng một điều kiện nhiệt độ và pH Quy trình dịch hóa, đường hóa và lên men đồng thời được trình bày trong Hình 1.4
Nguyên liệu sau khi nghiền được hòa với nước để đạt nồng độ chất khô mong muốn, sau đó điều chỉnh pH phù hợp Hỗn hợp enzyme (bao gồm α-amylase, glucoamylase, protease) và nấm men đã hoạt hóa cùng các chất dinh dưỡng thiết yếu được bổ sung Để thủy phân tinh bột sống, cần thêm enzyme α-amylase và glucoamylase như Stargen 002, có khả năng thủy phân tinh bột thành glucose ngay cả khi chưa hồ hóa Các enzyme này hấp thụ trên bề mặt hạt tinh bột, tạo lỗ để glucose được giải phóng, và khả năng thủy phân tinh bột thô phụ thuộc vào bản chất của tinh bột.
Quy trình SLSF có một số ưu điểm sau:
Tiết kiệm năng lượng đáng kể so với quy trình truyền thống và quy trình đường hóa kết hợp lên men, vì không cần nâng nhiệt độ lên cao và không phải làm lạnh sau các bước dịch hóa và đường hóa.
- Tiết kiệm lượng nước làm mát
- Giảm chi phí đầu tư thiết bị (do cả ba công đoạn dịch hóa, đường hóa và lên men được thực hiện trong cùng một thiết bị)
- Giảm tổn thất đường do phản ứng Maillard
- Giảm nhiễm tạp do chuyển dịch giữa các thiết bị
Giảm áp suất thẩm thấu cho nấm men là một yếu tố quan trọng, vì nấm men sử dụng đường khử theo nhu cầu, do đó lượng đường khử trong dịch lên men luôn được duy trì ở mức thấp.
1.2.3.2 Bã rượu gạo từ quy trình sản xuất cồn SLSF
Bã rượu ướt (DWG) được tách ra từ phần còn lại sau quá trình SLSF bằng phương pháp trọng lực cao thông qua bộ lọc tấm bản DWG, được sản xuất từ gạo, sau đó được sấy khô trong máy sấy buồng để tạo ra hạt sấy khô làm từ gạo (DDG).
Bảng 1.4: Thành phần bã rượu gạo SLSF
Thành phần Hàm lượng (%) Độ ẩm 8,9 ± 0,8
(Theo Chu Kỳ Sơn và cộng sự [10])
DDG từ gạo có hàm lượng protein cao (47,5%) và chất xơ (15,8%), vượt trội hơn so với DDGS từ ngô Điều này cho thấy DDG từ gạo không chỉ mang lại giá trị dinh dưỡng cao cho ngành thức ăn chăn nuôi truyền thống mà còn là nguồn nguyên liệu tiềm năng cho ngành công nghiệp thực phẩm.
1.2.4 Thành phần và chức năng protein gạo
Protein trong bã rượu gạo chủ yếu xuất phát từ gạo, do đó, việc hiểu rõ thành phần protein này là cần thiết để đánh giá tính chất chức năng của các chế phẩm thu được sau quá trình chiết xuất.
Protein từ gạo đang ngày càng được chú trọng trong sản xuất thực phẩm, do đó, việc đánh giá tính chất chức năng của loại protein này là rất cần thiết Hàm lượng protein trong gạo thường được tính toán từ nitơ Kjeldahl với hệ số chuyển đổi 5,95, dựa trên hàm lượng nitơ 16,8% của glutelin, loại protein chính trong gạo Gạo lức có hàm lượng protein cao hơn so với gạo xay xát hoặc gạo trắng, do quá trình xay xát loại bỏ cám giàu protein Cám gạo là một hỗn hợp mịn bao gồm vỏ quả, vỏ hạt, nhân, aleurone, phôi và một số mảnh vỏ và nội nhũ Hàm lượng protein của gạo còn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như quản lý canh tác, khí hậu và kiểu gen.
Các phương pháp chiết xuất protein
1.3.1 Chiết xuất protein bằng phương pháp hóa học
Phương pháp hóa học được phân loại theo các loại dung môi chiết khác nhau, bao gồm nước, kiềm, dung môi hữu cơ và axit.
Việc sử dụng phương pháp 12 kết hợp với các kỹ thuật khác giúp nâng cao khả năng thu hồi protein Các phương pháp hóa học được tiêu chuẩn hóa nhằm tối ưu hóa hiệu suất thu hồi protein với tổn thất tối thiểu Hiệu quả của quá trình tách chiết protein chủ yếu phụ thuộc vào tính chất của mẫu protein.
Quy trình xử lý mẫu để chiết xuất protein bao gồm ba bước chính: khử chất béo, chiết xuất và kết tủa protein Hình 1.5 minh họa quy trình chiết xuất này.
Trong quá trình khử chất béo, các dung môi như ete dầu mỏ, n-hexan và n-pentan được sử dụng để loại bỏ các hợp chất cản trở chiết xuất protein Protein sau đó được chiết xuất bằng muối (NaCl), chất tẩy rửa ion (SDS) và chất tẩy rửa không ion (NP-40 và Triton X100) trong dung dịch nước nóng hoặc lạnh, cũng như cồn (etanol, metanol) và các chất đệm hoặc chất biến tính.
Phối trộn dung môi tách béo
Tách dung môi, sấy khô
Chiết xuất protein (kiềm, axit, )
Hình 1.5: Quy trình chiết xuất protein thực vật bằng phương pháp hóa học
Trong quá trình chiết xuất protein, các chất mạnh như urê, Tris-HCl và phenol được sử dụng kết hợp với dung môi hữu cơ Các kỹ thuật hiện đại như vi sóng, siêu âm và enzyme có thể nâng cao hiệu quả chiết xuất Protein sau khi tách chiết sẽ được làm giàu và cô đặc bằng hóa chất hoặc dung môi như amoni sunfat, etanol, metanol, axeton, axit xitric, axit trichloroacetic, axit clohydric và phương pháp kết tủa điểm đẳng điện Quá trình ly tâm sẽ giúp thu hồi protein từ kết tủa, tuy nhiên, cũng có nhiều hợp chất và tạp chất không chứa protein trong đó Nghiên cứu của Lee và cộng sự (2017) đã chỉ ra rằng hỗn hợp dung môi axeton và axit trichloroacetic có thể được sử dụng để kết tủa protein một cách hiệu quả.
Protein từ tế bào thực vật thường được chiết xuất bằng phương pháp dung môi hữu cơ và nước Nghiên cứu của Karaca, Low và Nickerson (2011) cho thấy protein có thể được phân lập từ các loại hạt như đậu, đậu nành, đậu faba, đậu lăng và đậu xanh thông qua chiết xuất dung môi kiềm và dung dịch nước Quá trình chiết xuất axit protein từ bột đậu nành với 7,5% NaCl và pH 2 đạt độ thu hồi 36,92%, trong khi chiết xuất kiềm ở pH 10 có thể đạt độ thu hồi 39,97% từ cùng một mẫu Chiết xuất hóa học được chia thành hai loại: chiết xuất dựa trên dung môi hữu cơ và chiết xuất kiềm.
1.3.1.1 Chiết xuất protein bằng dung môi hữu cơ, nước
Dung môi hữu cơ là yếu tố quan trọng trong việc tách chiết và kết tủa protein, giúp tạo ra sản phẩm protein tinh khiết.
Chiết xuất protein trong nước là phương pháp phổ biến cho nhiều nguồn protein nhờ tính hòa tan cao và ổn định của protein cô lập Protein có khả năng liên kết với lipid và dễ hòa tan trong dung môi hữu cơ như etanol và butanol, với năng suất thu hồi protein cám gạo đạt từ 8,9 – 20,4% ở nhiệt độ 50–80℃ Hệ thống hai pha nước, được tạo ra bằng cách trộn polyme như polyetylen glycol (PEG) với muối hoặc hai polyme (PEG/dextran), có thể hiệu quả trong việc làm sạch và tách protein Sự phân tách giữa hai pha dựa vào đặc tính bề mặt của protein và bản chất của hệ hai pha, với các yếu tố như tính kỵ nước, điện thế giữa các pha, kích thước phân tử và ái lực của protein đóng vai trò quan trọng trong hiệu quả chiết xuất.
Protein có thể được chiết xuất từ nhiều nguồn thực vật thông qua phương pháp sử dụng nước nóng và lạnh Quá trình này bao gồm việc xử lý mẫu ở nhiệt độ ≥100℃ với áp suất cao, sau đó làm nguội về nhiệt độ phòng Kỹ thuật này được gọi là khai thác nước dưới tới hạn, với dải nhiệt độ từ 100 đến 380℃ Nghiên cứu của Watchararuji, Goto, Sasaki và Shotipruk (2008) đã tối ưu hóa các điều kiện chiết xuất protein từ cám gạo.
Tỉ lệ mẫu trên dung môi là 1:5 w/v, được thực hiện ở 220 °C trong 30 phút với áp suất từ 101,35 kPa đến 3,97 MPa, đã đạt được hiệu suất thu hồi protein lên đến 84% Protein có khả năng bị thủy phân trong nước dưới tới hạn mà không cần chất xúc tác, nhờ vào hằng số phân ly của nước thành các ion hydroxyl và hydro cao hơn nhiều so với nước xung quanh, cho phép nước hoạt động như axit và bazơ trong phản ứng hóa học.
1.3.1.2 Chiết xuất protein bằng dung môi có tính kiềm
Chiết xuất protein trong dung môi kiềm là phương pháp phổ biến nhất để chiết xuất protein từ thực vật, với các chất kiềm như NaOH và KOH được sử dụng để duy trì pH kiềm Phương pháp này mang lại năng suất chiết xuất cao hơn so với dung môi hữu cơ, nhờ vào việc phá vỡ các liên kết disunfua trong protein, cải thiện khả năng thu hồi và tăng sản lượng protein Độ hòa tan của protein cũng tăng khi pH của dung môi cao, do sự ion hóa của các axit amin có tính axit và trung tính, dẫn đến năng suất protein cao hơn trong môi trường kiềm.
Bảng 1.5: Chiết xuất protein bằng dung môi hữu cơ, nước
Dung môi hữu cơ và các kỹ thuật sử dụng
Nguyên liệu Điều kiện tối ưu Năng suất / tăng thu hồi
Tỉ lệ mẫu/ dung môi 8:10 Thu hồi 33% thu được sau khi tinh chế protein
Nhiệt độ 30 ° C Thời gian 2 giờ
Nước nóng (Chiết xuất nước nóng có áp suất)
Sambucu s nigra L Áp suất 15 MPa Năng suất protein tăng ở 50°C với chất lượng và số lượng
Nhiệt độ 50 ° C Thời gian 5 phút Kích thước hạt 6 mm
Hạt giống Ac acia tortilis
Tỉ lệ mẫu /dung môi
1:20 (w / v) 63,7% protein cô đặc được thu hồi với các đặc tính chức năng thuận lợi
Tỉ lệ mẫu trên dung môi
1: 5 (w / v) Thu hồi 13,8% protein với độ tinh khiết 45-47%
( Theo Manoj Kumar, Maharishi Tomar, Jayashree Potkule và cộng sự [26])
Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong quá trình chiết xuất kiềm, giúp ổn định cấu trúc và sự cuộn xoắn của protein, đồng thời duy trì các tương tác cộng hóa trị Ở nhiệt độ trên 140℃, protein bị thủy phân thành oligo-peptit Nhiều nghiên cứu cho thấy các điều kiện như tỉ lệ mẫu trên dung môi, nồng độ kiềm, thời gian và nhiệt độ có thể được tối ưu hóa để đạt sản lượng protein tối đa với chi phí thấp Salgado và cộng sự (2012) đã chiết xuất protein từ bột hướng dương với điều kiện tối ưu là 67 g/L bột, tỉ lệ nước, thời gian chiết 1 giờ và pH 9, sau đó thu được chế phẩm protein với hơn 70,4% protein.
Bảng 1.6: Chiết xuất protein sử dụng dung môi kiềm
Dung môi Nguyên liệu Điều kiện tối ưu Năng suất thu hồi
Tỉ lệ mẫu/dung môi 1:15 (w/v)
Thu hồi 94,8% protein ở điều kiện tối ưu
Tỉ lệ mẫu /dung môi 1: 2 (w/v)
Thu hồi protein trên 70% thu được ở điều kiện tối ưu
Tỉ lệ mẫu / dung môi 1:15 (w/v) Thu hồi 14,25% protein với các đặc tính chức năng tốt và cấu trúc
Tỉ lệ mẫu / dung môi 1:15 15198,07 mg / kg protein được thu Nhiệt độ 35 °C hồi
Tỉ lệ mẫu / dung môi 1:10 (w/v) Năng suất 86% protein với các đặc tính chức năng tốt hơn, cấu trúc và khả năng tiêu hóa in vitro
Tỉ lệ mẫu/dung môi 6:34 (w/v)
Phục hồi 34,51% protein với vẻ ngoài bột mịn
( Theo Manoj Kumar, Maharishi Tomar, Jayashree Potkule và cộng sự [26])
Sử dụng dung môi kiềm có thể tăng cường tính khả dụng và khả năng tiêu hóa của protein thực vật, nhưng cũng có thể làm suy giảm chất lượng protein thông qua các quá trình như biến tính, hình thành lysinoalanin, liên kết chéo, thủy phân protein và mất axit amin Bảng 1.6 cung cấp các ví dụ về chiết xuất protein bằng các phương pháp sử dụng dung môi kiềm.
Các kỹ thuật chiết xuất truyền thống thường tốn nhiều thời gian và năng lượng, đồng thời không thân thiện với môi trường do sử dụng dung môi hữu cơ, kiềm và axit Chiết xuất dựa trên axit thường cho chất lượng protein thấp hơn, trong khi chiết xuất bằng kiềm ở pH cao có thể thu hồi hơn 90% protein từ đậu tương, hạt cải dầu và các loại cây có dầu khác.
Quá trình chiết xuất bằng kiềm có thể nâng cao hiệu quả chiết xuất từ các hạt có dầu, nhưng đồng thời cũng làm giảm chất lượng protein do phá vỡ cấu trúc của axit amin lysine và cysteine Để duy trì chất lượng protein, cần điều chỉnh nồng độ kiềm phù hợp, giúp phục hồi các protein chất lượng cao mà không ảnh hưởng đến các thuộc tính chức năng của chúng Các phương pháp chiết xuất protein truyền thống có thể áp dụng cho nhiều loại thực vật, bao gồm hạt có dầu, hạt, ngũ cốc và phụ phẩm nông nghiệp.
1.3.2 Chiết xuất protein bằng phương pháp sinh học
Tính chất chức năng của protein trong sản phẩm thực phẩm
Các đặc tính chức năng của protein, bao gồm hình dạng, kích thước, thành phần axit amin và cấu trúc, ảnh hưởng đến quá trình xử lý protein như bảo quản và chế biến Nhiều yếu tố nội tại và ngoại tại như pH, độ ẩm, nhiệt độ và enzyme tác động đến những đặc tính này Để khai thác tiềm năng của protein trong thực phẩm, cần hiểu rõ các đặc tính chức năng, vì chúng thay đổi tùy theo loại thực phẩm Các đặc tính chính bao gồm khả năng giữ nước, giữ dầu, hòa tan, tạo bọt, độ ổn định bọt và nhũ hóa.
1.4.1 Khả năng giữ nước, giữ dầu, khả năng tạo và độ ổn định bọt
Lượng nước có thể được giữ lại bởi 1 g protein được gọi là khả năng giữ nước (WAC - Water absorption capacity) Tương tự, lượng dầu có thể được hấp
Khả năng giữ dầu (OAC) của protein, được đo bằng 21 g bột protein, tăng lên khi có sự hiện diện của axit amin không phân cực, trong khi khả năng giữ nước (WAC) cải thiện nhờ các thành phần ưa nước như polysacarit Chất lượng cảm quan của thực phẩm, bao gồm cảm giác trong miệng và giữ hương vị, liên quan chặt chẽ đến OAC Để nâng cao độ ngon miệng cho các sản phẩm thực phẩm, đặc biệt là từ thịt, protein cần chứa nhiều axit amin không phân cực tại các vị trí tương tác protein-dầu, từ đó phản ánh giá trị OAC cao Quá trình hấp thụ dầu cũng bị ảnh hưởng bởi các protein kỵ nước và tương tác mao dẫn Các yếu tố như loại protein, kích thước, hàm lượng tinh bột và protein, cùng tỉ lệ chuỗi bên axit amin không phân cực trên bề mặt protein, đều tác động đến OAC Sự hiện diện của chuỗi bên axit amin không phân cực làm tăng ái lực liên kết lipid của protein Tỉ lệ WAC/OAC là chỉ số quan trọng trong việc xác định khả năng sử dụng protein trong sản phẩm thực phẩm, và sự tiếp xúc của các chuỗi bên axit amin có thể dẫn đến thay đổi hình dạng của protein, ảnh hưởng đến tỉ lệ này.
Bọt là sự kết hợp của khí, chất lỏng và chất hoạt động bề mặt, thể hiện độ nhớt cao và mật độ thấp Quá trình tạo bọt protein diễn ra qua ba bước: đầu tiên, protein hình cầu khuếch tán tại mặt phân cách giữa không khí và nước, làm giảm sức căng bề mặt; sau đó, polypeptide protein mở ra và định hướng lại, tạo thành màng ổn định Để tăng cường độ ổn định của bọt, việc đánh bông các thành phần như protein, khí và chất lỏng là cần thiết Khả năng tạo bọt của protein được đánh giá qua lượng bọt ban đầu và độ ổn định bọt sau một thời gian Các protein hoạt động như chất hoạt động bề mặt giúp ổn định bề mặt phân cách bọt Độ ổn định giữa các bề mặt phụ thuộc vào protein kỵ nước và khối lượng phân tử, dẫn đến khả năng giữ lại bọt khí tốt hơn Ngoài protein, carbohydrate trong bột cũng ảnh hưởng đến tính chất tạo bọt, cùng với các yếu tố bên ngoài như độ pH, cường độ ion và nhiệt độ Lớp màng liên kết cần chắc chắn để ngăn chặn sự giải phóng không khí.
22 khí bị mắc kẹt (nghĩa là nó phải gần như không thấm nước) để tạo ra bọt mạnh và ổn định
1.4.2 Khả năng tạo nhũ tương và độ ổn định nhũ tương
Nhũ tương là hệ phân tán giữa hai chất lỏng không thể trộn lẫn, thường là dầu và nước, với một chất lỏng được khuếch tán dưới dạng hình cầu trong chất lỏng còn lại Độ ổn định nhiệt động của nhũ tương thường yếu, và sự tạo kem cùng với sự kết hợp các hạt béo có thể dẫn đến mất ổn định Chất hoạt động bề mặt giúp ổn định nhũ tương bằng cách giảm tốc độ tạo kem và kết dính, trong đó protein đóng vai trò quan trọng bằng cách khuếch tán nhanh chóng tại bề mặt phân cách dầu/nước, tạo ra màng protein Protein cũng có thể tăng cường tính ổn định của nhũ tương bằng cách làm tăng độ nhớt của pha liên tục và giảm tốc độ chuyển động của giọt dầu Sự khác biệt trong hoạt động nhũ tương và độ ổn định liên quan đến các thành phần protein hòa tan và không hòa tan, cũng như các hợp chất như chất béo và tinh bột Tương tác giữa các phân tử protein và nước diễn ra ở những vùng giàu axit amin phân cực, và chuỗi bên chứa axit amin trong protein quyết định đặc tính nhũ hóa Các protein động vật từ trứng và sữa thường được sử dụng để ổn định nhũ tương, trong khi protein đậu nành là lựa chọn phổ biến cho nhũ tương thực phẩm EAI là lượng dầu cần thiết để nhũ hóa một đơn vị protein, trong khi ESI biểu thị khả năng nhũ tương chống lại sự thay đổi cấu trúc theo thời gian.
1.4.3 Khả năng hòa tan của protein Độ hòa tan của protein là yếu tố chính quyết định việc sử dụng protein trong sản phẩm thực phẩm Độ hòa tan của protein được định nghĩa là lượng protein được hòa tan trong dung dịch ở những điều kiện cụ thể Các đặc tính chức năng như tạo bọt, nhũ hóa, tạo gel, v.v thường đòi hỏi độ hòa tan cao của protein trong môi trường thích hợp Độ hòa tan của protein được xác định bởi trạng thái cân bằng giữa các tương tác kỵ nước, thúc đẩy tương tác protein-protein, làm giảm tính ổn định và các ion, ưu tiên tương tác protein-nước, cải thiện khả năng hòa tan của protein [38] Trạng thái cân bằng này bị ảnh hưởng bởi đặc điểm cấu trúc của protein Độ lớn của điện tích và tính kỵ nước của chuỗi bên axit amin và cấu trúc protein quyết định khả năng hòa tan của nó trong một dung môi cụ thể Các protein lớn thể hiện độ hòa tan thấp hơn so với các protein nhỏ hơn do sự giảm entropy trong quá trình kết tủa ở mức độ nhỏ hơn đối với các protein lớn so với các protein nhỏ hơn Độ pH và cường độ ion của dung môi có ảnh hưởng lớn đến độ hòa tan của protein Độ hòa tan của protein thấp nhất tại điểm đẳng điện của nó do tương tác protein-protein được ưa chuộng hơn tương tác protein-nước, dẫn đến kết tủa
Điện tích trên bề mặt của protein làm tăng khả năng hòa tan của nó trong nước, nhờ vào sự tương tác cao giữa nước và protein Độ hòa tan của protein trong các hệ thống thực phẩm bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như nhiệt độ, quá trình đun nóng, cường độ ion, cắt, làm khô và đông lạnh Nghiên cứu về các đặc tính chức năng của protein đã gia tăng trong vài thập kỷ qua, cung cấp thông tin chi tiết về chức năng của protein thực vật Tuy nhiên, cần có sự hiểu biết sâu sắc về các đặc tính chức năng của sản phẩm thủy phân protein thực vật để tối ưu hóa lợi ích cho mục đích sử dụng công nghiệp.
1.4.4 Khả năng tiêu hóa protein in vitro (IVPD)
Protein là thành phần thiết yếu trong tất cả các tế bào sống và đóng vai trò quan trọng trong chế độ ăn uống của con người Sau khi tiêu hóa, protein được phân hủy thành peptide hoặc axit amin nhỏ, giúp cơ thể dễ dàng hấp thụ Các enzyme thủy phân protein trong đường tiêu hóa ảnh hưởng đến khả năng tiêu hóa protein, từ đó xác định lượng protein có sẵn để hấp thụ Phương pháp IVPD, mô phỏng quá trình tiêu hóa của con người, sử dụng các enzyme như papain và pepsin-pancreatin để phân tích lượng protein bị thủy phân IVPD nhanh chóng, tiết kiệm và hiệu quả tương đương với thử nghiệm in vivo Gần đây, IVPD đã trở nên phổ biến trong khoa học thực phẩm, cung cấp thông tin quan trọng về khả năng tiêu hóa protein và sự tiếp cận axit amin cho con người Cần phát triển và tiêu chuẩn hóa các thử nghiệm IVPD để đánh giá khả năng tiêu hóa protein trong thực phẩm, đồng thời thực hiện kiểm tra trên toàn cầu để đảm bảo tính chính xác của các kết quả.
Tiềm năng ứng dụng sản phẩm từ bã rượu vào thực phẩm
Bã rượu khô ứng dụng thực phẩm (FDDG) hiện chưa có mặt trên thị trường, nhưng nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc bổ sung FDDG có thể nâng cao giá trị dinh dưỡng của các sản phẩm thực phẩm khác Sử dụng FDDG trong ngành công nghiệp thực phẩm có thể mang lại lợi ích kinh tế và dinh dưỡng đáng kể Với hàm lượng protein và chất xơ cao, các sản phẩm thực phẩm bổ sung FDDG có khả năng ngăn ngừa bệnh tim mạch vành, béo phì và tiểu đường FDDG cũng có thể được áp dụng trong khẩu phần ăn cho người tiêu dùng.
24 chẩn đoán mắc bệnh tiểu đường do hàm lượng tinh bột thấp, kiểm soát đường huyết tốt hơn và mức đường huyết sau ăn thấp hơn [49]
Krishnan [50] đã phát triển một phương pháp chuyển đổi bã rượu sấy khô công nghiệp (DDG) hoặc DDGS thành FDDG an toàn cho con người, với đặc điểm không màu, không mùi và hàm lượng protein, chất xơ cao Sản phẩm FDDG đạt hơn 25% protein, dưới 15% chất béo và trên 30% chất xơ Quy trình bao gồm rửa bằng dung môi thực phẩm, nghiền, khử trùng và xử lý chân không Để cải thiện màu sắc, DDG công nghiệp có thể được rửa bằng etanol hoặc chiết xuất carbon dioxide siêu tới hạn, trong đó phương pháp chiết xuất carbon dioxide siêu tới hạn cho kết quả màu sắc vượt trội hơn và thời gian xử lý ngắn hơn so với rửa bằng etanol.
DDGS đã được nghiên cứu ứng dụng trong các sản phẩm thực phẩm như bánh mì, mì ống và bánh quy Pourafshar và cộng sự cho biết việc kết hợp DDGS trong sản xuất bánh mì Barbari, một loại bánh mì truyền thống của Iran, đã làm tăng đáng kể hàm lượng protein và chất xơ, cho thấy DDGS có tiềm năng tăng cường vi chất dinh dưỡng cho sản phẩm ngũ cốc Tuy nhiên, việc bổ sung DDGS có thể làm bánh mì trở nên sần sùi và cứng, nhưng điều này có thể được cải thiện bằng natri stearoyl lactate (SSL) để bánh mì mềm hơn Ngoài ra, nghiên cứu cũng chỉ ra rằng bánh mì có màu sẫm hơn khi lượng DDGS tăng lên.
Một trong những thách thức khi kết hợp DDGS vào thực phẩm là ảnh hưởng của nó đến chất lượng cảm quan, đặc biệt khi sử dụng ở mức cao DDGS thường khác về chức năng so với các thành phần thay thế, dẫn đến sự thay đổi trong khối lượng, kết cấu, khả năng hút ẩm và độ nở của sản phẩm Điều này cũng làm thay đổi hương vị ban đầu, giảm khả năng chấp nhận của sản phẩm trên thị trường Để cải thiện hương vị, các phương pháp như tẩy trắng và khử mùi đã được nghiên cứu nhằm trung hòa axit béo và sắc tố gây mất mùi vị Một số sản phẩm bột nhào có thể kết hợp FDDG trong công thức bột mì mà không làm thay đổi đáng kể kết cấu và hương vị, với FDDG có thể bổ sung tới 15% Tuy nhiên, khi tỉ lệ FDDG vượt quá 15%, sẽ dẫn đến giảm gluten và ảnh hưởng đến mạng lưới gluten, đồng thời tăng hấp thụ nước và giảm khả năng giãn nở Để cải thiện kết cấu và hương vị của bánh mì có chứa DDGS, việc thêm đường và chất cải thiện bột nhào được đề xuất Trong bối cảnh nhu cầu về đồ ăn nhẹ chế biến sẵn tốt cho sức khỏe ngày càng tăng, nghiên cứu của Singha và cộng sự đã sản xuất đồ ăn nhẹ ép đùn giàu dinh dưỡng.
Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng bột garbanzo, bột ngô và DDGS để tạo ra sản phẩm chứa 25% chất đạm và nhiều chất xơ DDGS đã được xử lý thành FDDG trước khi sử dụng Mục tiêu là sản xuất đồ ăn nhẹ ép đùn từ hỗn hợp có 20% FDDG, được ép đùn ở nhiệt độ 140℃ với độ ẩm đầu vào 19% và tốc độ trục vít phù hợp.
Với tốc độ 167 vòng/phút, DDGS có tiềm năng lớn trong việc trở thành các thành phần thực phẩm chức năng nhờ vào hàm lượng chất xơ, protein và phytochemical phong phú, cùng với mức chất béo thấp Điều này phù hợp với xu hướng của ngành công nghiệp thực phẩm hướng tới sản phẩm tốt cho sức khỏe Tuy nhiên, việc thương mại hóa thực phẩm dựa trên FDDG cần được sự chấp thuận của cơ quan chức năng trước khi ra mắt trên thị trường.
Mục tiêu đề tài
Mục tiêu của đề tài là nâng cao giá trị phụ phẩm bã rượu từ sản xuất cồn gạo thông qua công nghệ SLSF, nhằm tạo ra chế phẩm giàu protein, giảm thiểu tác động đến môi trường và cải thiện hiệu quả công nghệ.
Tách chiết protein từ bã rượu giúp thu nhận chế phẩm với hàm lượng protein cao, tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng chế phẩm này trong tương lai.
- Đánh giá được tính chất của chế phẩm protein cũng như khả năng ứng dụng protein này trong các sản phẩm thực phẩm
- Ứng dụng chế phẩm protein thu nhận được vào sản phẩm thực phẩm (bánh mì)
Bảng 1.7: Các sản phẩm thực phẩm có bổ sung thành phần bã rượu
Sản phẩm Nguyên liệu Tỉ lệ bổ sung (%) Nhận xét Nguồn
Bánh quy Protein từ bã rượu gạo công nghiệp có thể bổ sung mà không làm ảnh hưởng đến hương vị và màu sắc sản phẩm, với tỷ lệ bổ sung là 15% Bánh quy đường FDDG có màu sắc đậm hơn và kích thước giảm, cũng nên bổ sung 15% Đồ ăn ép đùn FDDG chứa nhiều đạm và chất xơ, với tỷ lệ bổ sung là 20%.
Bánh bao FDDG 0 – 25 có thể làm giảm độ bền của gluten, dẫn đến việc tăng độ cứng của bánh mì và làm yếu kết cấu bánh, khiến bánh mì trở nên đặc hơn với khối lượng thấp hơn Khuyến nghị bổ sung tối đa 15% mà không gây ra tác động tiêu cực nào.
