Khảo sát quá trình phân riêng protein đậu phộng bằng kỹ thuật siêu lọc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: CN Thực Phẩm & Đồ Uống Mã số: 605402  Khảo sát một số thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình phân riêng protein đậ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ VĂN VIỆT MẪN

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS MAI THANH PHONG

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS HOÀNG KIM ANH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh ngày 04 tháng 08 năm 2014

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS ĐỒNG THỊ THANH THU

2 PGS.TS MAI THANH PHONG

3 TS HOÀNG KIM ANH

4 TS NGUYỄN HUỲNH BẠCH SƠN LONG

5 TS TRẦN THỊ NGỌC YÊN

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: CN Thực Phẩm & Đồ Uống Mã số: 605402

 Khảo sát một số thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình phân riêng

protein đậu phộng bằng kỹ thuật siêu lọc

 Nâng cao độ tinh sạch và hiệu suất thu hồi protein đậu phộng trong quá trình

phân riêng bằng màng siêu lọc

Nội dung

 Khảo sát ảnh hưởng của kích thước mao quản, pH nhập liệu, áp suất vận hành

đến độ phân riêng protein, phytate, carbohydrate và thông lượng dòng qua màng

trong quá trình siêu lọc dịch protein đậu phộng

 Khảo sát ảnh hưởng của hệ số cô đặc đến hiệu suất thu hồi protein, tỉ lệ loại bỏ

phytate, carbohydrate và thông lượng dòng qua màng trong quá trình siêu lọc dịch

protein đậu phộng

 Khảo sát ảnh hưởng của giải pháp bổ sung nước đến hiệu suất thu hồi protein,

tỉ lệ loại bỏ phytate, carbohydrate và thông lượng dòng qua màng trong quá trình

siêu lọc dịch protein đậu phộng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc -

III Ngày giao nhiệm vụ

14/01/2013

IV Ngày hoàn thành nhiệm vụ

20/06/2014

V Cán bộ hướng dẫn

PGS TS Lê Văn Việt Mẫn

Tp Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 07 năm 2014

Trưởng khoa Kỹ Thuật Hóa Học

Bên cạnh đó, em cũng xin cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của các giáo sư Mondor, giáo

sư Vandré về phương pháp phân tích và xử lý số liệu, và các anh chị Nhóm Tải Báo trong việc chia sẻ cái tài liệu liên quan

Cuối cùng, tôi xin cám ơn bạn bè đã quan tâm, chia sẻ và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập tại trường cũng như hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

TP Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 07 năm 2014

Sinh viên thực hiện Trần Chí Hải

vi

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong nghiên cứu này, khả năng phân riêng dịch trích protein đậu phộng bằng

kỹ thuật siêu lọc bước đầu được khảo sát Kết quả cho thấy, giữa hai loại màng có kích thước mao quản tương đương 25 kDa và 50 kDa, màng 50 kDa cho thông lượng dòng qua màng lớn, hệ số tách phytate và carbohydrate cao hơn màng 25 kDa, mặc dù độ phân riêng protein của màng 50 kDa thấp hơn Các thông số khác đi cùng với màng 50 kDa nhằm đạt được hiệu quả phân riêng cao nhất là pH nhập liệu 5, áp suất vận hành 6 bar Khi thực hiện quá trình siêu lọc ở điều kiện trên, hiệu suất thu hồi protein đạt hơn 95%, tỉ lệ loại bỏ phytate và carbohydrate lần lượt đạt trên 30% và 56% tại hệ số cô đặc 2,5 Nhằm tăng hiệu quả tinh sạch protein, giải pháp bổ sung nước gián đoạn cũng

đã được tiến hành Phương án bổ sung nước 3 lần cho tỉ lệ loại bỏ carbohydrate và phytate rất cao lớn hơn 90% Vì vậy, việc ứng dụng kỹ thuật siêu lọc vào quá trình phân riêng dịch trích protein đậu phộng có tính khả thi cao

vii

ABSTRACT

This study focused on the separation of peanut protein by ultrafiltration Membrane with 50 kDa of molecular weight cut off showed higher permeate flux and selectivity factor of phytate and carbohydrate than 25 kDa membrane However, the protein rejection of 50 kDa membrane was less than that of 25 kDa membrane Peanut protein extract, adjusted to the pH 5, concentrated by 50 kDa membrane, was conducted in dead – end model at the operating pressure of 6 bar The results showed that the recovery yield of protein was approximately 95% at the concentration factor of 2,5 Moreover, the ratio of phytate and carbohydrate removal was 30% and 56%, respectively In addition, discontinuous diafiltration was applied for protein purification More than 90 % of phytate and carbohydrate was rejected with the three dilution cycles Ultrafiltration has been a potential solution to separate peanut protein

in protein concentrate/isolate production

viii

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu

đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu

Tác giả luận án

Trần Chí Hải

ix

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN v

TÓM TẮT LUẬN VĂN vi

ABSTRACT vii

LỜI CAM ĐOAN viii

MỤC LỤC ix

DANH MỤC HÌNH xi

DANH MỤC BẢNG xiii

Chương 1 GIỚI THIỆU 1

Chương 2 TỔNG QUAN 3

2.1 Đậu phộng 3

2.1.1 Thành phần hóa học hạt đậu phộng 3

2.1.2 Protein đậu phộng 4

2.2 Siêu lọc 8

2.2.1 Đại cương về siêu lọc 8

2.2.2 Thông lượng dòng qua màng 10

2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân riêng protein bằng kỹ thuật siêu lọc 12

2.2.4 Hiện tượng tắc nghẽn màng 14

2.2.5 Ứng dụng kỹ thuật siêu lọc vào quá trình phân riêng protein họ đậu 19

Chương 3 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

3.1 Nguyên liệu 22

3.2.1.1 Chuẩn bị bột đậu phộng tách béo 22

3.2.1.2 Chuẩn bị dịch trích đậu phộng 22

3.2 Phương pháp nghiên cứu 24

3.3 Phương pháp phân tích, tính toán và xử lý số liệu: 28

3.3.1 Phương pháp phân tích 28

x

3.3.2 Công thức tính toán, xử lý số liệu 30

Chương 4.KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 34

4.1 Ảnh hưởng của kích thước mao quản đến độ phân riêng protein, phytate, carbohydrate và thông lượng dòng qua màng 34

4.1.1.Độ phân riêng các cấu tử 34

4.1.2.Thông lượng dòng qua màng 37

4.2 Ảnh hưởng của pH dòng nhập liệu đến độ phân riêng protein, phytate, carbohydrate và thông lượng dòng qua màng 39

4.2.1.Độ phân riêng các cấu tử 39

4.2.2.Thông lượng dòng qua màng 42

4.3 Ảnh hưởng của áp suất vận hành đến độ phân riêng protein, phytate, carbohydrate và thông lượng dòng qua màng 44

4.3.1.Độ phân riêng các cấu tử 44

4.3.2.Thông lượng dòng qua màng 45

4.4.Ảnh hưởng của hệ số cô đặc đến hiệu suất thu hồi protein, tỉ lệ loại bỏ phytate, carbohydrate và thông lượng dòng qua màng 47

4.4.1.Hiệu suất thu hồi protein và tỉ lệ loại bỏ các cấu tử 47

4.4.2.Thông lượng dòng qua màng 50

4.5 Ảnh hưởng của giải pháp bổ sung nước vào dòng không qua màng đến hiệu suất thu hồi protein, tỉ lệ loại bỏ phytate, carbohydrate và thông lượng dòng qua màng 53 4.5.1.Hiệu suất thu hồi protein và tỉ lệ loại bỏ cấu tử 53

4.5.2.Thông lượng dòng qua màng 54

Chương 5.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

xi

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Mô hình siêu lọc dạng dead – end và cross – flow 9

Hình 2.2 Thiết bị phân riêng với màng dạng dead – end 10

Hình 2.3 Thông lượng dòng qua màng theo thời gian trong siêu lọc 15

Hình 2.4 Các cơ chế tắc nghẽn 18

Hình 3.1 Thiết bị phân riêng Stirred Cell 23

Hình 3 2 Cơ chế phản ứng của phương pháp Lowry 29

Hình 4.1 Độ phân riêng protein, độ phân riêng phytate, độ phân riêng carbohydrate khi thay đổi kích thước mao quản 35

Hình 4.2 Kết quả điện di trên gel polyacrylamide của protein đậu phộng 36

Hình 4.3 Thông lượng dòng qua màng ứng với các kích thước mao quản khác nhau 38 Hình 4.4 Các loại trở lực của hai loại màng trong quá trình phân riêng 39

Hình 4.5 Độ phân riêng các cấu tử ở các điều kiện pH nhập liệu khác nhau (áp suất vận hành 6 bar, màng 50 kDa) 40

Hình 4.6 Thông lượng dòng qua màng ở các điều kiện pH nhập liệu khác nhau 42

Hình 4.7 Các loại trở lực trong quá trình phân riêng ở các điều kiện pH nhập liệu khác nhau 43

Hình 4.8 Độ phân riêng các cấu tử ở các điều kiện áp suất vận hành khác nhau 44

Hình 4.9 Thông lượng dòng qua màng ở các điều kiện áp suất vận hành khác nhau 46

Hình 4.10 Các loại trở lực của quá trình phân riêng ở các điều kiện áp suất vận hành khác nhau 47

Hình 4.11 Nồng độ các cấu tử ở dòng không qua màng thay đổi theo hệ số cô đặc 49

Hình 4.12 Nồng độ các cấu tử ở dòng qua màng thay đổi theo hệ số cô đặc 49

Hình 4.13 Hiệu suất thu hồi và tỉ lệ loại bỏ các cấu tử theo hệ số cô đặc thể tích 50

Hình 4.14 Thông lượng dòng qua lọc thay đổi theo hệ số cô đặc 51

Hình 4.18 Ảnh hưởng của số lần bổ sung nước kết hợp với quá trình cô đặc có hệ số cô

đặc 2,5 trước đó lên hiệu suất thu hồi và tỉ lệ loại bỏ cấu tử 54

Hình 4.19 Thông lượng dòng qua màng thay đổi theo hệ số cô đặc ở các điều kiện bổ

sung nước kết hợp khác nhau 55

xiii

DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Khối lượng phân tử của 5 nhóm chính của các đơn phân protein đậu phộng 5

Bảng 2.2 Thành phần amino acid trong protein đậu phộng 6

Bảng 2.3 Chất dị ứng đậu phộng 7

Bảng 2.4 Ảnh hưởng của các thành phần kháng dinh dưỡng 8

Bảng 3.1 Các thông số thiết bị 23

Bảng 3 2 Đặc tính kỹ thuật của các loại màng sử dụng 24

Bảng 4.1 Hệ số tách cấu tử so với protein ứng với từng loại màng khác nhau 37

Bảng 4.2 Hệ số tách cấu tử so với protein ở các điều kiện pH nhập liệu khác nhau 41

Bảng 4.3 Hệ số tách cấu tử so với protein ở các điều kiện áp suất vận hành khác nhau 45

Bảng 4.1 Hệ số tách cấu tử so với protein ứng với từng loại màng khác nhau 37

Bảng 4.2 Hệ số tách cấu tử so với protein ở các điều kiện pH nhập liệu khác nhau 41

Bảng 4.3 Hệ số tách cấu tử so với protein ở các điều kiện áp suất vận hành khác nhau 45

1

Đậu phộng (Arachis hypogaea L.) là một trong những cây trồng phổ biến trên

thế giới và là nguồn cung cấp nguyên liệu cho ngành công nghiệp dầu béo Gần đây, đậu phộng được quan tâm như là một nguồn protein chi phí thấp để bổ sung vào khẩu phần ăn hàng ngày của con người Ngoài các sản phẩm truyền thống như bơ đậu phộng

và đậu phộng rang, đậu phộng còn được sử dụng để sản xuất một số loại bánh, làm chất độn trong các sản phẩm thịt, soup và sản phẩm tráng miệng Sau quá trình tách dầu, phụ phẩm rắn thu được có hàm lượng protein cao (45 – 60 %), chứa nhiều các acid amin thiết yếu và có thể sử dụng để khai thác protein, ứng dụng trong công nghệ thực phẩm

Chế phẩm protein được dùng trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm thường là các dạng protein concentrate hoặc protein isolate Phương pháp truyền thống

để sản xuất protein concentrate hay isolate từ đậu phộng có sử dụng dung môi, acid hay base, hoặc nhiệt nên có thể làm biến tính protein, từ đó làm giảm chất lượng của chế phẩm protein đậu phộng Ngoài ra, phương pháp truyền thống sinh ra một lượng lớn chất thải giống như whey acid (với hàm lượng protein khá cao) nên làm tăng nguy cơ ô nhiễm môi trường nước Do đó, việc nghiên cứu những phương pháp mới để sản xuất chế phẩm protein nhằm mục đích cải thiện chất lượng sản phẩm và hạn chế hiện tượng

ô nhiễm môi trường là cần thiết

Kỹ thuật siêu lọc được xem là một phương pháp mới trong quy trình sản xuất chế phẩm protein Những ưu điểm của kỹ thuật siêu lọc là điều kiện quá trình ôn hòa (không sử dụng acid hay kiềm đặc, nhiệt độ phòng) và chi phí năng lượng thấp Protein concentrate và protein isolate từ đậu nành được sản xuất bằng kỹ thuật siêu lọc có khả năng hòa tan tốt, tính chất chức năng vượt trội và ít acid phytic hơn so với phương pháp truyền thống Ngoài ra, kỹ thuật siêu lọc cũng được sử dụng để sản xuất chế phẩm

2

protein từ phụ phẩm quá trình sản xuất phô mai Tuy nhiên, kỹ thuật này có nhược điểm là làm giảm thông lượng dòng qua màng theo thời gian do hiện tượng tắc nghẽn màng

Nghiên cứu này bước đầu khảo sát quá trình phân riêng dịch trích protein đậu phộng bằng kỹ thuật siêu lọc ở quy mô phòng thí nghiệm Chúng tôi sẽ đánh giá khả năng phân riêng protein đậu phộng của màng siêu lọc với kích thước mao quản khác nhau, ở các điều kiện pH nguyên liệu cũng như áp suất vận hành khác nhau Kế đến, chúng tôi sẽ đánh giá sự ảnh hưởng của hệ số cô đặc đến quá trình phân riêng Cuối cùng, dựa vào các thông số đã lựa chọn, chúng tôi thử nghiệm bổ sung nước vào dòng chưa qua màng trong quá trình phân riêng để nâng cao độ tinh sạch của sản phẩm

Kết quả thu được trong luận văn này sẽ tạo tiền đề cho những nghiên cứu sâu hơn tiến tới ứng dụng kỹ thuật siêu lọc trong quá trình phân riêng dịch trích protein đậu phộng ở quy mô công nghiệp

3

2.1 Đậu phộng

2.1.1 Thành phần hóa học hạt đậu phộng

Đậu phộng có tên khoa học Arachis hypogaea Linn, là một loài cây thuộc họ

đậu, thu hoạch hàng năm, là nguồn cung cấp protein thực vật quan trọng đứng thứ hai trên thế giới sau đậu nành [1] Đậu phộng có nguồn gốc từ Nam Mỹ và được trồng đầu tiên vào thế kỷ XVI [2] Theo thống kê, sản lượng đậu phộng từ đầu năm 2014 đến tháng 5 năm 2014 trên toàn thế giới đạt được 40,86 triệu tấn; trong đó, Việt Nam đã đóng góp xấp xỉ 0,55 triệu tấn và là một trong mười nước có sản lượng đậu phộng lớn nhất trên thế giới (USDA Foreign Agricultural Service, Table 13 Peanut Area, Yield, and Production) Hơn nữa, theo tổ chức FAO, đậu phộng cũng là một trong 15 loại thực vật đảm nhận vai trò cung cấp hơn 90% nhu cầu ăn uống hàng ngày của chúng ta [3]

Trên thế giới, đậu phộng chủ yếu được trồng để lấy dầu là chính [4] [5] Bên cạnh đó, đậu phộng còn được dùng để sản xuất bơ đậu phộng, snack hạt và kẹo [6] Sữa đậu phộng, một loại dịch trích thu được từ nhân hạt đậu phộng, được sử dụng ở các nước đang phát triển vì rẻ hơn sữa động vật, giàu protein, khoáng và các acid béo cần thiết [7]

Hạt đậu phộng có hai lá mầm và phôi, được bao xung quanh bởi một vỏ lụa [8] Hạt đậu phộng chứa khoảng 36 – 54 % lipid, 21 – 36 % protein và lượng nhỏ carbohydrate và tro [8]

Thành phần acid béo trong dầu thay đổi tùy thuộc vào giống, mức độ trưởng thành, điều kiện môi trường [9] [10] Acid béo oleic, linoleic, palmitic và stearic chiếm thành phần lớn nhất và hơn 90% tổng acid béo [9] [10] Dầu đậu phộng có 0,025% α –

4

tocopherol và 0,020% γ – tocopherol [11] Đây là thành phần có hoạt tính chống oxy hóa trong một số loại cây họ đậu [12]

Hàm lượng carbohydrate trong đậu phộng gồm 2 – 5 % đường, 4 % tinh bột, 4%

là các hợp chất pectic và 2 % cellulose [8] Cũng như acid béo, lượng đường thay đổi tùy thuộc vào điều kiện trồng trọt, mức độ trưởng thành của hạt, giống, mùa vụ và nơi sản xuất [13] Đường saccharose là thành phần nhiều nhất trong các loại đường có trong đậu phộng, ước tính khoảng 2 – 5 % tổng khối lượng [8], kế đến là stachyose và raffinose [6]

Thêm vào đó, đậu phộng cũng chứa một lượng đáng kể các vitamin và khoáng chất Bên cạnh là nguồn cung cấp vitamin E, đậu phộng cũng cung cấp một lượng đáng

kể vitamin B, kali, photpho và magie [6] [8] Ngoài ra, nó cũng chứa một lượng nhỏ vitamin C và một ít vitamin A, D, K [8]

2.1.2 Protein đậu phộng

Hạt đậu phộng có chứa 21 – 36 % protein, gồm hai thành phần chính là globulin (tan trong nước muối) và albumin (tan trong nước) [14] [15] Trong tổng lượng globulin, conarachin (tập trung ở tế bào chất) chiếm một phần mười và arachin (trong lớp auleron và phần thịt hạt) chiếm ba phần tư [14] Hai thành phần này là những globulin có khối lượng phân tử lớn [16] [17] Sự khác biệt chính giữa hai loại globulin này là hàm lượng lưu huỳnh có trong phân tử, lượng lưu huỳnh trong conarachin cao gấp ba lần lượng lưu huỳnh có trong arachin [14] Trong quá trình bảo quản, các đại phân tử globulin có thể bị thủy phân để tạo nên các đơn phân có khối lượng phân tử

nhỏ hơn (Bảng 2.1) Với những điều kiện trích ly protein khác nhau (loại môi trường

và tỉ lệ dung môi/bột) thì thành phần, hàm lượng và tính chất của các protein đậu phộng sẽ khác nhau Nhìn chung, protein đậu phộng hòa tan ở khoảng pH từ 1 – 12,

5

trong đó hòa tan kém nhất tại pH từ 4,5 – 5,5 [5] Khi có mặt của các ion lạ (như Na+

,

PO43-, Cl-…) thì độ hòa tan của protein tại pH đẳng điện tăng dần

Ngoài ra, khi nghiên cứu về thành phần polypeptide chính của đậu phộng isolate, Basha (1982) tìm thấy 74 polypeptide chính và 100 – 125 polypeptide phụ có thể được phân biệt thông qua điểm đẳng điện pI và khối lượng phân tử [18] Điểm đẳng điện của các thành phần này dao động từ 4,4 đến 8,0 và khối lượng phân tử dao động trong khoảng 16 – 75 kDa

Bảng 2.1 Khối lượng phân tử của 5 nhóm chính của các đơn phân protein đậu phộng

Thành phần và hàm lượng của các loại acid amin được thể hiện qua Bảng 2.2

Rõ ràng, đậu phộng giàu acid glutamic, aspartic acid và arginine, ít các acid amin có chứa lưu huỳnh như methionine và cysteine [13] Hơn nữa, đậu phộng cũng nghèo các amino acid thiết yếu như lysine, threonine và methionine [13]

Các sản phẩm từ đậu phộng giàu protein bao gồm bã đậu phộng tách béo, bột đậu phộng, chế phẩm protein concentrate và protein isolate đậu phộng Bã đậu phộng (45 – 60% protein) là sản phẩm thu được khi tách dầu ra khỏi hạt đậu phộng [4] Trong

bã, 97% protein tổng là hai dạng của globulin: arachin và conarachin [19] Hàm lượng

6

protein trong bã đậu phộng sẽ tùy thuộc vào phương pháp tách dầu [20] Các phương pháp tách dầu được sử dụng chủ yếu là ép bằng thủy lực hoặc trục vis, trích ly bằng dung môi (hexane) hoặc ép trước rồi dùng dung môi trích ly [4] [5]

Bảng 2.2 Thành phần amino acid trong protein đậu phộng [21]

Ngoài ra, theo tổ chức khuyến cáo về thuốc và thực phẩm (FDA), đậu phộng là một trong top tám thực phẩm gây dị ứng Đặc tính của các loại protein gây dị ứng được

thể hiện trong Bảng 2.3 Ara h1 và Ara h2 là hai nhóm protein gây dị ứng chính trong

đậu phộng, lần lượt chiếm từ 12 – 16 % và 5,9 – 9,3 % tổng lượng protein [22] Cả hai loại chất dị ứng này có độ bền cao [23] [24] [25] và hơn 95 % người dùng dị ứng với đậu phộng có phản ứng của kháng thể immunoglobulin – E với Ara h1 và Ara h2 [26] Những loại còn lại (Ara h3 – Ara h8) được coi là những chất gây dị ứng phụ vì mức độ nhạy cảm của người dùng với những chất này rất thấp

8

Bên cạnh đó, những thành phần kháng dinh dưỡng có trong đậu phộng cũng đã góp phần làm giới hạn phạm vi ứng dụng của protein đậu phộng trong công nghiệp

thực phẩm (Bảng 2.4) Trong đó, acid phytic hay phytate được xem là một nguyên

nhân lớn gây ra hạn chế sự hấp thu protein vào cơ thể [28] Nhiều tài liệu cho thấy, chỉ cần một lượng nhỏ acid phytic có thể hình thành nên phức acid phytic – protein gây ức chế enzyme tiêu hóa [28] Ngoài ra, acid phytic cũng có thể tạo phức với carbohydrate (tinh bột) làm ảnh hưởng đến tốc độ tiêu hóa tinh bột [28] [29]

Bảng 2.4 Ảnh hưởng của các thành phần kháng dinh dưỡng [30] [31] [32]

Thành phần kháng dinh

dưỡng

Ảnh hưởng lên cơ thể

Oligosaccharide Sinh khí đầy bụng, khó chịu và mất cảm giác ngon

miệng Hydrogen cyanide Góp phần gây bướu cổ nếu cơ thể có ít iot

Chất ức chế trypsin Ức chế hoạt động của các protease

2.2 Siêu lọc

2.2.1 Đại cương về siêu lọc

Siêu lọc là quá trình phân riêng bằng màng, thường được sử dụng để cô đặc và tinh sạch các dung dịch đại phân tử như dung dịch protein, dung dịch polysaccharide… Trong đó, sự chênh lệch áp suất hai bên màng chính là động lực của quá trình phân riêng Kích thước mao quản của màng siêu lọc được tính theo khối lượng phân tử của hợp chất được giữ lại (molecular weight cut off (MWCO)) Giá trị kích thước mao quản này được hiểu là có hơn 90% lượng cấu tử có khối lượng phân tử tương ứng được

9

giữ lại trên màng Giá trị MWCO của màng siêu lọc nằm trong khoảng từ 1 – 1000 kDa Các cấu tử được phân riêng chủ yếu là do sự khác nhau về khối lượng phân tử, tuy vậy trong một số trường hợp, nó còn có thể do một số yếu tố khác quyết định (như

sự tích điện) Quá trình siêu lọc có thể được vận hành theo mô hình dead – end hoặc

cross – flow, được thể hiện qua Hình 2.1

Hình 2.1 Mô hình siêu lọc dạng dead – end và cross – flow [33]

Dòng đối lưu được gây ra bởi gradient áp suất giữa hai bề mặt màng (transmembrane pressure) và dòng qua màng kéo các các chất tan đến bề mặt màng Những thành phần có khối lượng nhỏ hơn MWCO của màng sẽ đi qua màng cùng với dung môi (nước), trong khi đó, những cấu tử lớn hơn sẽ được giữ lại trên màng và có thể tích tụ trên bề mặt Hiện tượng tắc nghẽn màng thường dễ xuất hiện ở trong mô hình dead – end, nơi mà dòng nhập liệu được đi theo phương vuông góc với bề mặt màng Ngược lại, hiện tượng tắc nghẽn màng có thể được giảm thiểu trong mô hình cross – flow, bởi vì dòng chảy tiếp tuyến với bề mặt màng có thể góp phần loại bỏ sự tích tụ của các cấu tử trên bề mặt màng

10

Thiết bị siêu lọc dead – end thường dùng là những bình hình trụ với một tấm

màng đặt trên một lưới hoặc tấm chống đỡ (Hình 2.2) Những bình này có thể được

nén áp suất bởi khí nitơ hoặc không khí Một thanh khuấy từ (hoặc cá từ và bể khuấy)

có thể được sử dụng để làm giảm thiểu hiện tượng tắc nghẽn màng và gia tăng thông lượng dòng qua màng Thiết bị này dễ dàng tháo lắp để vệ sinh hay thay thế màng trước khi vận hành với mẻ kế tiếp Những bình siêu lọc dạng này đặc biệt phù hợp cho qui mô phòng thí nghiệm để nghiên cứu hay phát triển qui trình

Hình 2.2 Thiết bị phân riêng với màng dạng dead – end [33]

Những hệ thống cross – flow được sử dụng phổ biến gồm mô hình sợi, cuộn và tấm bảng, được ứng dụng trong công nghệ thực phẩm và công nghệ sinh học ở quy mô lớn

2.2.2 Thông lượng dòng qua màng

tử được giữ lại sẽ tích tụ trên bề mặt màng hoặc ở trong lỗ mao quản gây nên hiện tượng tắc nghẽn màng và tăng trở lực thủy tĩnh Trở lực thủy tĩnh tổng RT bao gồm trở lực của màng RM, trở lực do hiện tượng tập trung nồng độ RC và trở lực do hiện tượng tắc nghẽn màng RF Trở lực do tắc nghẽn màng RF, được xác định thông qua phương trình (2.2), có thể được chia thành hai phần là trở lực thuận nghịch RR (trở lực có thể bị loại bỏ bởi nước) và trở lực bất thuận nghịch RI (trở lực chỉ có thể loại bỏ bởi hóa chất)[35] Một số chất tan tích lũy trên bề mặt màng dễ dàng bị rửa trôi bởi nước Trong khi

đó, một vài chất tan liên kết chặt chẽ với màng khó bị loại khỏi màng nếu như không

sử dụng hóa chất và áp suất

Ngoài ra, trở lực do tắc nghẽn màng còn có thể chia thành trở lực do hấp phụ

Rad và trở lực do quá trình lọc Rfilt Trong nghiên cứu của Koutake và cộng sự (1992), khi nhóm tác giả tiến hành vệ sinh màng đã bị tắc nghẽn bằng miếng xốp bọt biển, trở lực tắc nghẽn được chia thành trở lực trên bề mặt, Rad,s và Rfilt,s, và trong lỗ mao quản,

Rad,p và Rfilt,p [36] Do đó, trở lực tổng RF cũng có thể được thể hiện qua phương trình (2.3)

(2.3)

12

Thông lượng dòng qua màng trong siêu lọc là một hàm theo thời gian hoặc hệ

số cô đặc Hệ số cô đặc được định nghĩa là tỉ số giữa thể tích nhập liệu ban đầu và thể tích dòng còn lại trên màng

2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân riêng protein bằng kỹ thuật siêu lọc

Có khá nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân riêng protein bằng màng siêu lọc Chúng có thể được chia thành ba nhóm có liên quan đến nguyên liệu cần phân riêng, màng và các thông số kỹ thuật để thực hiện quá trình phân riêng

2.2.3.1 Các yếu tố liên quan đến nguyên liệu cần phân riêng

Nồng độ dung dịch protein cao thì hiện tượng tập trung nồng độ dễ xảy ra hơn làm cho thông lượng dòng qua màng giảm Bên cạnh đó, nồng độ protein thấp thì khả năng tích tụ của nó trên bề mặt màng giảm Vì vậy, trong nghiên cứu của Das và cộng

sự 2008, khi tăng nồng độ protein trong dòng nhập liệu từ hạt vừng từ 100 ppm lên 400 ppm thì thông lượng dòng qua màng ở những phút đầu tiên giảm xấp xỉ 43% Ngoài ra, nồng độ protein trong dòng qua màng cũng tăng khi tăng nồng độ nhập liệu [37] Không chỉ vậy, nồng độ protein càng cao thì độ nhớt dung dịch nhập liệu cũng tăng dẫn đến sự khuếch tán các cấu tử qua màng bị hạn chế

Bên cạnh protein là thành phần chủ yếu thì các thành phần khác như carbohydrate, lipid, khoáng… cũng sẽ ảnh hưởng đến quá trình phân riêng bằng siêu lọc Grund và cộng sự (1992) nhận thấy khi siêu lọc mẫu nguyên liệu albumin huyết thanh bò có chứa một ít lipid sẽ cho độ phân riêng protein cao và thông lượng dòng qua màng thấp hơn so với mẫu không có chứa lipid Điều này được giải thích là do sự hình thành tương tác giữa chất béo và protein, làm protein tăng kích thước do chúng kết tụ lại với nhau nhờ các phân tử béo [38]

13

Ngoài ra, pH mẫu nguyên liệu cũng ảnh hưởng đến sự tích điện và kết tụ của các phân tử protein Các nghiên cứu cho thấy, khi tiến hành phân riêng dung dịch protein ở xa điểm đẳng điện của protein thì thông lượng dòng qua màng cao, ít xảy ra nghẽn màng hơn so với các thí nghiệm dung dịch protein có pH gần giá trị pI [39] [37] [40] Hơn nữa, lực ion (được tạo ra bằng việc bổ sung muối) cũng ảnh hưởng đến khả năng phân riêng protein bằng màng siêu lọc Teng và cộng sự (2006) nhận thấy, khi tăng nồng độ muối (NaCl), thông lượng dòng qua màng tăng nhiều trong khoảng 0 – 0,6 g/L, sau đó, thông lượng tăng rất ít khi tiếp tục tăng nồng độ muối lên đến 1 g/L Ngược lại, độ phân riêng lysozyme lại tăng khi tăng nồng độ NaCl [39]

2.2.3.2 Các yếu tố liên quan đến màng siêu lọc

Màng siêu lọc thường được dùng để phân riêng dung dịch protein là polysulfone, polyacrylonitrile và vật liệu polymer từ cellulose (hầu hết là cellulose acetate) Màng cellulose tái sinh là loại màng ưa nước nên ít gây tắc nghẽn khi phân riêng dịch protein Tuy vậy, độ bền hóa, nhiệt và độ xốp tương đối thấp (so với màng polusulfone) là những hạn chế của loại màng này Do đó, để chịu lực cơ học, bền nhiệt

và hóa chất, màng polysulfone thường được sử dụng để thu nhận protein, đặc biệt là protein họ đậu, mặc dù tính kỵ nước của màng này khá cao, thường dễ bị tắc nghẽn hơn [41] [42] [43] [44] Để giải quyết nhược điểm này, màng polysulfone đã được thay đổi cấu trúc bề mặt Nhờ vậy, khi tiến hành phân riêng protein trứng gà, thông lượng dòng qua màng tăng khi gắn các nhóm carboxyl ưa nước vào trong cấu trúc của màng

so với màng polysulfone truyền thống [45] Ngoài ra, bề mặt màng gồ ghề cũng sẽ làm protein dễ bị hấp phụ, kéo theo thông lượng dòng qua màng giảm [39]

Bên cạnh đó, kích thước mao quản cũng ảnh hưởng đến hiệu quả quá trình phân riêng protein Khi tăng kích thước mao quản của màng trong một giới hạn xác định thì thông lượng dòng qua màng tăng và khả năng giữ lại các cấu tử trên màng thấp [38]

14

[46] Tùy thuộc vào loại protein cần thu nhận mà lựa chọn kích thước mao quản cho phù hợp

2.2.3.3 Các thông số kỹ thuật của quá trình phân riêng protein

Áp lực qua màng là động lực chính của quá trình phân riêng protein Áp lực tăng thì thông lượng dòng qua màng cũng tăng, song, đến một giai đoạn nào đó thì thông lượng dòng qua màng sẽ gần như là không thay đổi khi áp lực tăng lên do xảy ra hiện tượng tập trung nồng độ [47] [38] Tùy thuộc vào đặc tính của mỗi loại nguyên liệu và thiết bị mà quá trình tăng áp lực có thể làm tăng hoặc giảm độ phân riêng của protein

Thêm vào đó, sự tiếp xúc của các cấu tử protein với bề mặt màng còn bị ảnh hưởng bởi tốc độ khuấy đảo Khi tốc độ khuấy đảo tăng dần thì hiện tượng tập trung nồng độ khó hình thành, nên thông lượng dòng qua màng tăng [47]

Ngoài áp lực và tốc độ khuấy đảo, nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến quá trình phân riêng Nhiệt độ tăng, độ nhớt dung dịch giảm, nên thông lượng dòng qua màng tăng Tuy nhiên, đối với dung dịch protein, việc lựa chọn thay đổi thông số nhiệt độ cần được tính toán kỹ, vì khi tăng nhiệt độ thường kéo theo sự biến tính của protein, các kết tủa dễ bị hấp phụ trên bề mặt màng

2.2.4 Hiện tượng tắc nghẽn màng

Quá trình siêu lọc thường được vận hành tại áp suất cố định Sự tăng lên của trở lực thủy tĩnh do màng bị tắc nghẽn có liên quan với sự giảm thông lượng dòng qua màng Sự thay đổi của thông lượng dòng qua màng theo thời gian có thể được thể hiện

qua Hình 2.3

Sự giảm thông lượng dòng qua màng được mô tả qua ba giai đoạn Giai đoạn đầu tiên của quá trình vận hành, thông lượng dòng qua màng giảm rất nhanh do hiện

Hình 2.3 Thông lượng dòng qua màng theo thời gian trong siêu lọc [33]

2.2.4.1 Hiện tượng tập trung nồng độ

Tập trung nồng độ là hiện tượng xuất hiện một gradient nồng độ giữa bề mặt màng và dung dịch cần phân riêng Chất tan liên tục được dòng nhập liệu đưa đến bề mặt màng, do đó, nồng độ của những cấu tử được giữ lại sẽ tăng cao hơn tại bề mặt màng Gradient nồng độ là động lực cho sự khuếch tán ngược trở lại của chất tan vào trong dung dịch cần phân riêng Tại thời điểm thông lượng dòng qua màng lớn (chẳng hạn thời điểm đầu của quá trình lọc), tốc độ dòng đối lưu cao hơn dòng khuếch tán

16

ngược, và chất tan nhanh chóng tích tụ trên bề mặt màng Tốc độ khuếch tán ngược phụ thuộc vào tính chất của cấu tử cần phân riêng (hình dạng và kích thước) và độ nhớt của dung dịch [34] Tập trung nồng độ không ảnh hưởng đến tính chất phân riêng của màng nhưng làm tăng trở lực đối với dòng qua màng Ảnh hưởng của hiện tượng tập trung nồng độ thường giảm thiểu rất nhiều trong hệ thống cross – flow bởi vì tác động quét của dòng tiếp tuyến

2.2.4.2 Hiện tượng hấp phụ và tích tụ của protein

Đối với quá trình phân riêng dung dịch protein bằng siêu lọc, protein là tác nhân chính gây nên sự tắc nghẽn Hiện tượng tắc nghẽn màng phụ thuộc vào tính chất hấp phụ và tích lũy của protein lên bề mặt màng Protein có thể hấp phụ hay tích tụ bên ngoài bề mặt màng (tắc nghẽn bên ngoài) hoặc bên trong lỗ mao quản (tắc nghẽn bên trong) Trong siêu lọc, tắc nghẽn bên ngoài là cơ chế tắc nghẽn chủ yếu Sự bít lỗ mao quản có lẽ xảy ra khi kích thước protein gần bằng đường kính lỗ mao quản do protein

bị giữ lại ở những chỗ bị thắt lại của lỗ mao quản [48] Sự hiện diện của các nhóm phân cực và không phân cực trong trình tự sắp xếp các amino acid trong phân tử protein giúp cho protein có khả năng hấp phụ vào cả bề mặt phân cực và không phân cực Người ta nhận thấy rằng khi phân riêng bằng siêu lọc, protein có xu hướng hấp phụ và bị tích tụ nhiều hơn đối với màng kỵ nước hơn là màng ưa nước [49] [50] Sự hấp phụ của protein xảy ra ngay khi dung dịch protein và bề mặt màng tiếp xúc với nhau, hình thành một lớp phân vùng bằng protein giữa pha rắn và pha lỏng Lượng protein hấp phụ tùy thuộc vào vật liệu màng, tích chất của protein (sự tích điện và kỵ nước), và tính chất dung dịch (pH và lực ion) và có thể được xác định bằng cách ngâm màng vào dung dịch protein ở điều kiện tĩnh (chẳng hạn, không nén áp để không tạo thành dòng qua màng) Protein hấp phụ được xem như là bất thuận nghịch, điều này có thể được lý giải bởi protein có thể tương tác với bề mặt màng thông qua lực tĩnh điện, tương tác phân cực và kỵ nước, liên kết hydro và lực Van der Waals tại những vị trí bất

17

kỳ trong chuỗi polypeptide Tuy sự hình thành và phá vỡ những liên kết riêng rẽ có thể

là một quá trình động nhưng để phá vỡ tất cả những liên kết này cùng một lúc thì thật

sự khó xảy ra [51]

Sự tích tụ protein hình thành khi dòng đối lưu liên tục mang thêm protein đến bề mặt màng mà tại đây chúng trở nên gắn chặt với bề mặt màng Nhiều lớp protein có thể hình thành trên bề mặt này, tùy thuộc vào độ lớn của tương tác giữa các phân tử Độ xốp (không gian trống) của lớp tích tụ giảm khi càng gần màng và càng xa màng thì độ xốp của lớp tích tụ tăng Vì vậy, phần ở trên của lớp tích tụ (gần dung dịch phân riêng)

có ít các liên kết mạnh và dễ dàng bị loại bỏ trong quá trình vệ sinh hơn là lớp protein gần bề mặt màng Sự tích tụ protein hầu như bị kiểm soát bởi tương tác protein – protein, mà tương tác này lại chịu sự chi phối của pH và lực ion của dung dịch [52] Người ta mong đợi rằng mức độ tích tụ của protein cũng sẽ được điều chỉnh bởi nồng

độ protein trong lớp biên tập trung nồng độ Hình thái của lớp tích tụ sẽ bị ảnh hưởng bởi mức độ và tính thuận nghịch của tương tác protein – protein, tức là bị ảnh hưởng bởi tính chất hóa lý của protein

Quá trình tắc nghẽn màng ảnh hưởng đến sự hấp phụ và tích tụ protein làm tăng

độ phân riêng của các cấu tử nhỏ hơn, vì thế, nó làm giảm hiệu quả quá trình phân riêng chất tan Bởi vì, không chỉ thông lượng dòng qua màng bị giảm mà độ chọn lọc cũng ngày càng thấp nên việc lựa chọn các thông số vận hành như áp suất qua màng, tốc độ khuấy, nồng độ, pH, lực ion để giảm thiểu tác động của quá trình tắc nghẽn màng là thật sự cần thiết, để quá trình phân riêng bằng siêu lọc đạt hiệu quả cao

2.2.4.3 Các cơ chế tắc nghẽn màng

Để giải thích cho hiện tượng tắc nghẽn màng, người ta sử dụng bốn cơ chế tắc nghẽn là che kín cơ bản (standard blocking), che kín hoàn toàn (complete blocking), che kín một phần (intermediate blocking), và bánh lọc (cake filtration) [53]

18

Cơ chế che kín cơ bản xảy ra khi chất tan có thể đi vào lỗ mao quản và hấp phụ vào thành của lỗ mao quản, làm giảm đường kính hoạt động của lỗ mao quản Trong khi đó, ở cơ chế che kín hoàn toàn, một vài lỗ mao quản bị nghẹt hoàn toàn bởi những chất tan bị tích tụ, kéo theo là sự giảm số lượng lỗ mao quản trên màng Còn cơ chế che kín một phần được đặc trung không chỉ sự nghẹt một phần lỗ màng mà còn bao gồm cả sự tích tụ của chất tan bên ngoài bề mặt màng Cuối cùng là cơ chế bánh lọc, chất tan tích tụ thành nhiều lớp trên bề mặt ngoài của màng, làm cho lớp bánh (gel) được hình thành và làm tăng bề dày hoạt động của màng

Hình 2.4 Các cơ chế tắc nghẽn

Để hiểu rõ cơ chế tắc nghẽn màng có thể dựa vào sự giảm thông lượng dòng qua màng và từ đó có biện pháp làm giảm thiểu tới mức thấp nhất hiện tượng tắc nghẽn màng (tăng cường độ thông lượng nhập liệu, thổi ngược (backflushing)) Hermia (1982) đã đề xuất bốn mô hình thực nghiệm tương ứng với các cơ chế tắc nghẽn màng trên ở điều kiện áp suất không đổi [54] [55] Tác giả đã sử dụng phương trình (2.4) để xác định các loại cơ chế trong suốt quá trình vận hành

19

Với t là thời gian hoạt động, V là thể tích tích lũy được của dòng qua qua lọc, hệ

số k và i là đặc trưng riêng của cơ chế tắc nghẽn màng Theo mô hình của Hermia, trong quá trình phân riêng bằng màng, thông lượng dòng qua lọc bị ảnh hưởng bởi cơ chế tắc nghẽn Khi đồ thị t/V và t là một đường thẳng, thì cơ chế tắc nghẽn là che kín

cơ bản Ngược lại, cơ chế hình thành bánh lọc sẽ chiếm ưu thế khi đồ thị giữa t/V và V

là một đường thẳng Thêm vào đó, lúc mối quan hệ giữa ln(t) và V là một đường thẳng thì cơ chế che kín một phần lại là cơ chế chủ đạo

2.2.5 Ứng dụng kỹ thuật siêu lọc vào quá trình phân riêng protein họ đậu

Năm 1970, Porter và Michaels là những người đầu tiên đã đề xuất thu nhận protein đậu nành dùng màng siêu lọc [56] Đến năm 1975, Okubo và cộng sự đã nghiên cứu sản xuất protein isolate từ đậu nành sử dụng kết hợp siêu lọc và quá trình bổ sung nước liên tục [57] Sau đó, Lawhon và cộng sự (1978) đã đề nghị sử dụng siêu lọc kết hợp quá trình bổ sung nước không liên tục để thu nhận protein đậu nành isolate [58] Quá trình kết hợp siêu lọc và bổ sung nước có thể loại bỏ oligosaccharide một cách hiệu quả [57] [58] [59] Ngoài ra, khi tiến hành phân riêng bằng màng siêu lọc 100 kDa với dịch chiết đậu nành pH từ 8 – 9, tỉ lệ khoáng bị loại bỏ là 35 % ở hệ số cô đặc là 2,5 và xấp xỉ 50% tại hệ số cô đặc là 4,5 – 5,0 Tuy vậy, trong khoảng pH khảo sát thì lượng phosphorus chủ yếu dưới dạng acid phytic sẽ tạo thành phức tam phân nên khó

có thể đi qua màng Do đó, trong những năm gần đây, biện pháp điện thẩm tích để điều chỉnh pH dịch từ 9 về 6 kết hợp với siêu lọc và bổ sung nước với màng polysulfone

100 kDa được sử dụng để sản xuất protein đậu nành isolate ít acid phytic [60] Kết quả cho thấy mặc dù hiện tượng tắc nghẽn màng dễ xảy ra hơn, thông lượng dòng qua lọc thấp, nhưng dòng chưa đi qua màng có hàm lượng protein cao, ít khoáng, ít acid phytic

và ít carbohydrate hơn so với phương pháp không điều chỉnh pH dịch trích [61] [62] Ngoài ra, sản phẩm protein isolate thu được có khả năng hòa tan cao hơn so với phương pháp kết tủa đẳng điện truyền thống là 25%

20

Martin Mondor và cộng sự (2009) đã tiến hành thu nhận protein concentrate từ hai loại đậu garbanzo là Desi và Kabuli bằng kỹ thuật kết tủa đẳng điện và kỹ thuật siêu lọc ở các chế độ khác nhau [44] Hàm lượng protein thu được trong sản phẩm được thu nhận bằng kỹ thuật màng thì cao hơn so với phương pháp kết tủa đẳng điện Bên cạnh đó, chất ức chế trypsin trong mẫu kết tủa đẳng điện cũng cao hơn Ngoài ra, hàm lượng phosphorus tổng của mẫu sử dụng phương pháp siêu lọc kết hợp bổ sung nước thì thấp hơn so với mẫu kết tủa đẳng điện

Boye và cộng sự (2010) khi nghiên cứu trên đậu Hà Lan, đậu garbanzo và đậu lăng thì chế phẩm protein concentrate được thu nhận bằng kỹ thuật siêu lọc và bổ sung nước có hàm lượng protein cao hơn đôi chút so với khi sử dụng phương pháp kết tủa đẳng điện; hơn nữa, các tính chất công nghệ của sản phẩm có sử dụng phương pháp siêu lọc như độ hòa tan cao hơn, nồng độ tạo gel thấp hơn, khả năng giữ béo cũng tốt hơn so với mẫu kết tủa đẳng điện [43]

Tuy nhiên, trên đối tượng đậu phộng, việc sử dụng kỹ thuật siêu lọc để phân riêng protein rất ít được nghiên cứu Theo tài liệu mà chúng tôi có được thì chỉ có một công bố khoa học về vấn đề này Lawhon và cộng sự (1981) đã tiến hành trích ly protein đậu phộng bằng kiềm (pH 8) từ nguyên liệu là hạt đậu có béo và đậu phộng ít béo với tỉ lệ nước/nguyên liệu là 20:1 Dịch trích protein thô được đem đi phân riêng thu nhận protein bằng màng polyvinylidene fluoride 50 kDa [63] Kế đến, dòng chưa qua màng sẽ được sấy phun để thu nhận chế phẩm protein Kết quả thu được cho thấy chế phẩm protein đậu phộng có hàm lượng protein khá cao, chỉ số nitơ hòa tan cao

Tóm lại, với ưu điểm điều kiện vận hành ôn hòa, chi phí năng lượng thấp, kỹ thuật siêu lọc đã và đang được ứng dụng rộng rãi để thu nhận protein, đặc biệt là protein từ các cây họ đậu Mặc dù, đậu phộng có hàm lượng protein cao đứng thứ hai sau nành, nhưng nó vẫn chưa được khai thác hiệu quả Số lượng các nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật siêu lọc trên đối đậu phộng là rất ít Vì vậy, cần có những nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của kích thước mao quản, pH nguyên liệu hay áp suất vận hành lên

21 quá trình phân riêng protein đậu phộng, cũng nhƣ là tìm các giải pháp nâng cao chất lƣợng chế phẩm protein thu đƣợc

22

3.1 Nguyên liệu

3.1.1 Nguyên liệu chính

Nguyên liệu trong nghiên cứu này là dịch trích đậu phộng được chuẩn bị từ

giống đậu phộng Arachis hypogaea VD1 do Viện nghiên cứu phát triển dầu và cây có

dầu cung cấp

3.1.1.1 Chuẩn bị bột đậu phộng tách béo

Đậu phộng mua về được tách vỏ quả bằng phương pháp thủ công, tách vỏ lụa bằng dung dịch NaOH 0,5% Sau đó, hạt đậu phộng được sấy ở nhiệt độ 50 – 55 oC trong 6 giờ đến độ ẩm 13 – 14% Kế đến, hạt đậu được xay nhỏ để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trích ly Bột đậu phộng được trích ly béo bằng dung môi petroleum ether 30 – 60 ở nhiệt độ 55 oC trong 24 giờ Quá trình được lặp lại khoảng 5 – 6 lần Tiếp theo, bột đậu phộng được làm ráo và rây qua lỗ rây 0,355 mm để đạt chuẩn kích thước Ta thu được bột đậu phộng tách béo, bao gói, bảo quản trong tủ đông đến khi sử dụng Sau quá trình trích ly béo, bột đậu phộng có 45,92±0,17 % protein tổng, 39,89±0,25% carbohydrate, 1,62±0,33 % lipid, 4,81±0,14 % tro, 7,91±0,69 ẩm

3.1.1.2 Chuẩn bị dịch trích đậu phộng

Bột đậu phộng tách béo được phối trộn với nước theo tỷ lệ 1:20, chỉnh pH 9 bằng dung dịch NaOH 2M, khuấy trộn trong 60 phút, ở nhiệt độ thường Sau đó, hỗn hợp được ly tâm thu nhận các chất hòa tan trong phần dịch Dung dịch thu được được bảo quản ở 4oC chờ đến khi sử dụng Dung dịch protein thu được có hàm lượng chất khô 2,8±0,1%, protein hòa tan 20,97 ± 0,17 mg/mL, carbohydrate 2,90 ± 0,02 mg/mL, phytate 0,59 ± 0,01 mg/mL

23

3.1.2 Hóa chất

- Acid sulfosalisilic (Sigma – Mỹ)

- Muối sodium phytate (Sigma – Mỹ)

- Protein huyết thanh bò (Sigma – Mỹ)

3.1.3 Thiết bị phân riêng

Thiết bị membrane đƣợc sử dụng trong thí nghiệm này là thiết bị Sterlitech HP4750 Stirred Cell (Hình 3.1) do hãng Sterlitech – Mỹ cung cấp

Hình 3.1 Thiết bị phân riêng Stirred Cell

24

Nghiên cứu này sử dụng các loại màng siêu lọc: GR51PP, GR60PP làm bằng vật liệu polysulfone được cung cấp từ hang Alfa Laval

Bảng 3.2 Đặc tính kỹ thuật của các loại màng sử dụng

Nguyên tắc hoạt động: Theo mô hình dead end, dung dịch cần phân riêng được

cho vào thiết bị, dưới tác dụng của áp suất được tạo ra từ khí nén, các cấu tử nhỏ sẽ chui qua màng, còn các đại phân tử được giữ lại trên vùng bề mặt của màng Trong quá trình hoạt động, dòng nhập liệu chuyển động theo phương vuông góc với bề mặt màng, nhờ tác dụng của khuấy từ sẽ hạn chế sự tập trung nồng độ và hiện tượng tắc nghẽn màng Dòng đi qua màng sẽ được ghi nhận thể tích bằng ống đong và thời gian tương

ứng

3.2 Phương pháp nghiên cứu

3.2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Đánh giá khả năng sử dụng quá trình siêu lọc để tinh sạch protein đậu phộng trong dịch trích thô từ bột đậu phộng đã tách béo

3.2.2 Nội dung nghiên cứu

 Cách thực hiện:

Tiến hành thay đổi lần lượt hai loại màng có kích thước mao quản khác nhau là DSS – GR51PP (50 kDa) và DSS – GR60PP (25 kDa), đồng thời cố định áp suất vận hành 6 bar, nhiệt độ vận hành là 28±2oC, tốc độ khuấy từ 1000 vòng/phút 200 mL dung dịch nhập liệu có pH 9 sẽ được cho vào thiết bị phân riêng, sau khi đã điều chỉnh các thông số ổn định được 30 phút, ta tiến hành lấy mẫu và đo thời gian

 Đánh giá thông qua các kết quả:

- Độ phân riêng protein, độ phân riêng carbohydrate và độ phân riêng phytate, khả năng tách phytate/protein, khả năng tách carbohydrate/protein

- Thông lượng dòng qua màng, trở lực trong quá trình phân riêng

3.2.2.2 Ảnh hưởng của pH dòng nhập liệu đến độ phân riêng protein, phytate, carbohydrate và thông lượng dòng qua màng

ở mục 3.1.2.1, áp suất vận hành 6 bar, nhiệt độ vận hành là 28±2o

C, tốc độ khuấy từ

26

1000 vòng/phút Sau 30 phút kể từ khi thiết bị hoạt động ổn định, tiến hành lấy mẫu và

đo thời gian

 Đánh giá thông qua các kết quả:

- Độ phân riêng protein, độ phân riêng carbohydrate và độ phân riêng phytate, khả năng tách phytate/protein, khả năng tách carbohydrate/protein

- Thông lượng dòng qua lọc, trở lực trong quá trình phân riêng

3.2.2.3 Ảnh hưởng của áp suất vận hành đến độ phân riêng protein, phytate, carbohydrate và thông lượng dòng qua màng

 Đánh giá thông qua các kết quả:

- Độ phân riêng protein, độ phân riêng carbohydrate và độ phân riêng phytate, khả năng tách phytate/protein, khả năng tách carbohydrate/protein

- Thông lượng dòng qua lọc, trở lực trong quá trình phân riêng

3.2.2.4 Ảnh hưởng của hệ số cô đặc đến hiệu suất thu hồi protein, tỉ lệ tách phytate, carbohydrate và thông lượng dòng qua màng

 Mục đích:

Khảo sát ảnh hưởng của hệ số cô đặc đến quá trình phân riêng dịch protein đậu phộng, từ đó đề xuất hệ số cô đặc phù hợp nhất, đồng thời xác định được cơ chế tắc

 Đánh giá thông qua các kết quả:

- Hiệu suất thu hồi protein, tỉ lệ loại bỏ carbohydrate, tỉ lệ loại bỏ phytate theo

 Mục đích:

Khảo sát ảnh hưởng của giải pháp bổ sung nước vào dòng không qua màng đến quá trình phân riêng dịch protein đậu phộng, từ đó đề xuất một chế độ bổ sung phù hợp

 Đánh giá thông qua các kết quả: