Phương pháp cô đặc bằng kỹ thuật siêu lọc được đánh giá tốt do thời gian cô đặc nhanh, đơn giản, yêu cầu năng lượng thấp, không sử dụng nhiệt do vậy không làm ảnh hưởng đến sự biến tính
GIỚI THIỆU
Huyết là sản phẩm phụ của ngành công nghiệp thịt thải ra với lƣợng lớn từ các nhà máy giết mổ công nghiệp, được sử dụng khá lâu ở Châu Âu và các nước châu Á trong các sản phẩm truyền thống nhƣ: xúc xích huyết, bánh pudding, bánh mì, bánh cracker Huyết là nguồn cung cấp protein và sắt với giá trị dinh dƣỡng cao Nhiều năm, các lò giết mỗ ở Mỹ loại bỏ huyết nhƣ sản phẩm phụ không mong muốn, với hàm lƣợng protein cao (18%), nhu cầu oxi hóa học cao (COD 500.000 O2/L) (Jack Appiah Ofori, 2011) Vì vậy, môi trường sẽ bị ô nhiễm nghiêm trọng do việc thải bỏ một lượng lớn huyết Nhằm hạn chế các chi phí khá lớn để loại bỏ huyết theo hướng thân thiện với môi trường, đã có nhiều nghiên cứu nhằm sử dụng huyết trong các sản phẩm thực phẩm, để đáp ứng các tính năng đặc biệt trong các sản phẩm khác nhau
Protein plasma, phân đoạn chính của huyết, chiếm khoảng 60% khối lƣợng huyết là hỗn hợp protein gồm: albumin, globulin và fibrinogen Protein plasma và các sản phẩm từ protein plasma giữ vai trò đặc biệt trong ngành thực phẩm nhờ vào khả năng tạo nhũ, khả năng tạo bọt, khả năng tạo gel tốt Protein plasma thường đƣợc sử dụng trong các sản phẩm thịt, trong các sản phẩm bánh có thể sử dụng protein plasma thay thế cho lòng trắng trứng nhờ vào khả năng tạo bọt tốt Hầu hết các nghiên cứu đều tập trung vào việc thu nhận và cải thiện các tính chất chức năng của protein plasma Để thuận tiện trong việc bảo quản và sử dụng, protein plasma thường được sản xuất dưới dạng bột Công nghệ sử dụng để cô đặc protein huyết là cô đặc chân không, lọc gel và kỹ thuật siêu lọc Quá trình cô đặc bằng nhiệt thường tốn nhiều năng lƣợng và nhiệt độ cao có thể làm biến tính một số protein thành phần trong dịch protein plasma Phương pháp cô đặc bằng kỹ thuật siêu lọc được đánh giá tốt do thời gian cô đặc nhanh, đơn giản, yêu cầu năng lƣợng thấp, không sử dụng nhiệt do vậy không làm ảnh hưởng đến sự biến tính nhiệt của các protein thành phần trong plasma Việc ứng dụng công nghệ màng để thực hiện quá trình cô đặc protein là phương pháp rất được quan tâm hiện nay
Tại Việt Nam, hiện nay huyết chỉ đƣợc sử dụng trong các món ăn truyền thống nhƣ cháo huyết và một số loại xúc xích huyết truyền thống Việc thu nhận các protein có tính chất chức năng từ huyết chƣa đƣợc nghiên cứu
Trên cơ sở đó, đề tài “Nghiên cứu sản xuất và ứng dụng bột protein plasma từ huyết heo” đƣợc đề xuất với các nội dung nghiên cứu nhƣ sau:
Khảo sát quá trình cô đặc dịch protein plasma bằng kỹ thuật siêu lọc
So sánh các tính chất chức năng của bột protein plasma với bột lòng trắng trứng
Ứng dụng thay thế bột lòng trắng trứng trong sản phẩm xúc xích thanh trùng
Với hướng nghiên cứu sản xuất và ứng dụng bột protein plasma từ huyết heo sẽ tạo ra bột protein plasma với tính chất chức năng cao, có khả năng ứng dụng trong ngành thực phẩm nói chung và trong ngành thịt chế biến nói riêng Qua đó, tạo giá trị gia tăng cho huyết động vật, góp phần hạn chế vấn đề ô nhiễm môi trường.
TỔNG QUAN
2.1.1 Thành phần hóa lý của huyết
Huyết gồm 2 thành phần: tế bào máu và plasma Tế bào máu là phần rắn chiếm từ 30 – 40% khối lƣợng huyết phân tán trong phần lỏng là protein plasma chiếm khoảng 60% khối lƣợng huyết Trong tế bào máu gồm có hồng cầu là chủ yếu, ngoài ra còn có bạch cầu và tiểu cầu Ở phân đoạn này, protein chiếm từ 28 – 38% và hemoglobin là thành phần protein chủ yếu Protein plasma có hàm lƣợng protein
6 – 8% chủ yếu là albumin, globulin và fibrinogen (Eduard Davila Ribot, 2007)
Bảng 2.1: Thành phần của huyết heo, phân đoạn plasma và tế bào máu (Eduard Davila Ribot, 2007)
Thành phần Đơn vị Huyết Plasma
Huyết có giá trị dinh dƣỡng cao, có thể đƣợc xem nhƣ nguồn thực phẩm tốt nhờ vào hàm lƣợng protein cao, giải quyết đƣợc vấn đề thiếu hụt các amino acid trong khẩu phần ăn
Bảng 2.2: Thành phần các acid amin thiết yếu (g/100g protein) của huyết heo và plasma so sánh với hàm lượng cân đối theo yêu cầu của FAO (Eduard Davila Ribot, 2007)
Amino acid Huyết Plasma Yêu cầu của FAO
2.1.2 Các lĩnh vực ứng dụng của huyết
Các ứng dụng của huyết trong ngành công nghiệp thực phẩm và một số lĩnh vực khác đƣợc thể hiện qua Bảng 2.3 Việc kết hợp huyết hay một số phân đoạn protein của huyết vào lĩnh vực thực phẩm xuất phát từ giá trị dinh dƣỡng và các tính chất chức năng của huyết gồm cả vai trò làm chất tạo màu Bên cạnh đó, khi bổ sung thêm protein từ huyết vào một số sản phẩm nhƣ các sản phẩm thịt đem lại cảm giác rất tự nhiên trong các sản phẩm thực phẩm
Protein huyết có thể đƣợc sử dụng làm nguyên liệu trong công thức của các sản phẩm thực phẩm Các protein plasma có khả năng tạo gel khi qua xử lý nhiệt nên khi sử dụng trong các sản phẩm thịt hoặc các sản phẩm bánh thì khả năng tạo nhũ, khả năng tạo bọt tương tự như lòng trắng trứng Do có tiềm năng sử dụng rất lớn nên cần có các nghiên cứu các ứng dụng các protein từ huyết động vật trong lĩnh vực thực phẩm
Bảng 2.3: Các lĩnh vực ứng dụng của huyết động vật (Eduard Davila Ribot, 2007)
Thực phẩm Chất tạo nhũ, chất ổn định, chất tạo gel, chất làm đầy, chất tạo màu, chất làm trong Thức ăn gia súc Chất bổ sung, chất ổn định vitamin, chất thay thế sữa
Phân bón Màng bao các hạt, ổn định pH, tăng cường khoáng Phòng thí nghiệm Môi trường, peptones, globulins , albumin
Y học Kiểm tra tế bào, miễn dịch, kỹ thuật phân đoạn, chất chóng đông, fibrinogen, fibrin, serotonin, plasminogen
Hình 2.1: Các phân đoạn của huyết sau ly tâm
Protein plasma, phân đoạn chính của huyết, chiếm khoảng 60% khối lƣợng huyết Protein plasma huyết là sản phẩm phụ của ngành công nghiệp thịt với tiềm năng rất lớn trong việc ứng dụng vào thực phẩm vì có sản lƣợng lớn và chứa các protein có tính chất chức năng cao, có khả năng tạo tính chất đặc biệt cho thực phẩm Thành phần protein plasma đƣợc liệt kê trong Bảng 2.4 Qua đó có thể thấy sự đa dạng của các phân tử protein tồn tại trong plasma Tuy nhiên, có thể tóm tắt thành 3 nhóm chính bao gồm: albumin, globulin và fibrinogen
Bảng 2.4:Thành phần của plasma huyết heo (Eduard Davila Ribot, 2007)
Protein Khối lƣợng phân tử (Da)
Retinol-binding protein 21.000 3-6 α- Globulins α1- Acid glycoprotein α1- Antitrypsin
Ceruloplasmin 3.8 S Histidine-rich α2- glycoprotein α1- Macroglobulin α1B-Glycoprotein α1T-Glycoprotein α1- Antichymotrypsin α1- Microglobulin
3.1 S Leucine-rich α2- glycoprotein 8 S α3 - Glycoprotein Serum cholinesterase Thyroxine-binding globulin Inter - α-tripsin inbibitor Transcortin
Hemopexin Transferrin β2 –Glycoprotein I β2 –Glycoprotein II β2 –Glycoprotein III C-Reactive Protein Fibronectin
Immunoglobulins Immunoglobulin G Immunoglobulin A Immunoglobulin M Immunoglobulin D Immunoglobulin E
Basic protein B2 0.6 S γ2-Globulin 2 S γ2-Globulin Post γ-Globulin Complement components C1q Component
C1r Component C1s Component C2 Component C3 Component C4 Component C5 Component C6 Component C7 Component C8 Component C9 Component C1 Esterase inhibitor Factor B
Factor D Factor H C4 Binding Protein Properdin
Coagulation proteins Antithrombin III Prothrombin Antihemophilic factor (Factor VIII)
Plasminogen Fibrin-stabilizing factor (Factor XIII)
Phân tử protein dạng hạt hình dạng trái tim có khối lƣợng phân tử từ 66 –
69kDa, điểm đẳng điện khoảng 4,8 là protein nhiều nhất trong plasma, chiếm khoảng 60% hàm lƣợng protein Cấu hình không gian ba chiều bao gồm 3 vùng tương đồng (I, II, III), chủ yếu là các liên kết xoắn ốc và bao phủ bởi các cầu disulfide riêng biệt, đƣợc đặc trƣng bởi hàm lƣợng tryptophan và methionine thấp, hàm lƣợng cystein và các amino aicd nhƣ aspartic, glutamic, lysine và arginine cao
Cấu trúc ban đầu liên quan đến độ hòa tan của protein này vì tổng điện tích rất cao, khoảng 185 nhóm ion trên 1 phân tử ở pH 7.0 và 90 nhóm ở pH 2 Albumin có khoảng 580 amino acid trong chuỗi và chứa 17 cầu disulfide và 1 cystein tự do ở vị trí 34 (Eduard Davila Ribot, 2007)
Hình 2.2 : Cấu tạo phân tử albumin
Globulin đƣợc chia nhỏ hơn thành các phân đoạn α, β và γ gồm các nhóm đa dạng các protein hình cầu bao gồm cả các enzym, các protein vận chuyển, các kháng nguyên, và chiếm 40% hàm lƣợng protein plasma Trong globulin chủ yếu là các globulin miễn dịch Khối lƣợng phân tử của globulin từ một vài đến hàng trăm kDa, pI trong khoảng 5÷7 Trong trường hợp các immunoglobulin, cấu trúc có hình chữ Y gồm 2 chuỗi nặng và chuỗi nhẹ đƣợc ổn định bằng cầu disulfide Protein trong nhóm này phần lớn là immunoglobin G (IgG), tiếp đến là α1-antitrypsin và transferrin (Eduard Davila Ribot, 2007)
Hình 2.3: Cấu tạo phân tử immunoglobulin 2.2.1.3 Fibrinogen
Fibrinogen, chiếm khoảng 3% trên tổng hàm lƣợng protein plasma, là protein dạng sợi, khối lƣợng phân tử khoảng 340kDa và pI khoảng 5,5 Là thành phần tạo sự đông đặc của huyết, giữ chức năng tạo nên cấu trúc mạng 3 chiều của sợi fibrin trong suốt quá trình đông máu Fibrinogen đƣợc tạo thành từ 3 chuỗi polypeptide không giống nhau Aα, Bβ và γ (AαBβγ) tạo nên 2 phân tử giống hệt nhau, cả 2 phân tử và các chuỗi liên kết với nhau nhờ 29 liên kết disulfide tạo nên cấu trúc đối xứng (Eduard Davila Ribot, 2007)
Hình 2.4: Cấu tạo phân tử fibrinogen
2.2.2 Tính chất chức năng của protein plasma
Khái niệm tính chất chức năng đƣợc định nghĩa “bất kỳ tính chất nào bên cạnh tính chất dinh dƣỡng tạo nên sự có ích của các thành phần trong thực phẩm” Một số tính chất chức năng quyết định thuộc tính cảm quan của thực phẩm nhƣng chúng cũng làm thay đổi các phản ứng vật lý của thực phẩm trong suốt quá trình sản xuất và bảo quản
Protein là một nhóm các phân tử đƣợc quan tâm về tính chất chức năng, đƣợc sử dụng rộng rãi vì việc sử dụng chúng trong thực phẩm đem lại sự phát triển các tính chất mong muốn Các tính chất chức năng của protein liên quan đến tính chất vật lý, hóa học và thuộc tính thích hợp phụ thuộc vào điều kiện hóa học và các xử lý cơ – nhiệt trước đó Các tính chất này được phân loại như sau:
Tính hấp thu nước: phụ thuộc vào tương tác của nước và protein, như là độ hấp thu nước, độ hòa tan, khả năng phân tán, độ trương phồng, khả năng giữ nước
Tính chất lưu biến: phụ thuộc vào sự tương tác giữa protein và protein, như là sự kết tủa, khả năng tạo gel, tạo cấu trúc
Tính chất bề mặt: khả năng tạo nhũ, khả năng tạo bọt
Tính chất cảm quan: vị, mùi, màu, cấu trúc
Tính chất khác: khả năng kết dính, tạo film
Tuy nhiên, tất cả các tính chất này là sự tương tác qua lại lẫn nhau Ví dụ, sự tạo gel đòi hỏi phải có sự tương tác giữa protein – protein cũng như là protein với nước
Khi đó, các protein kết hợp lại tạo nên ma trận dày đặc có khả năng giữ nước tốt do nước đã bị nhốt lại Cho đến nay, có một số nghiên cứu nhằm đưa ra các phương pháp đánh giá các tính chất chức năng của protein plasma Do có khả năng tạo gel khi qua xử lý nhiệt, khả năng tạo nhũ, tạo bọt tốt nên protein plasma có thể đƣợc xem là thành phần chức năng tốt cho ngành thực phẩm Protein plasma có thể đƣa vào các sản phẩm thịt nhờ vào khả năng tạo gel, làm đầy và ứng dụng trong ngành bánh kẹo nhờ vào khả năng thay thế albumin trứng bên cạnh lý do kinh tế và tính chất chức năng mà còn hướng đến sức khoẻ người tiêu dùng (Eduard Davila Ribot và các cộng sự, 2007)
NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp nghiên cứu
3.2.1 Quy trình công nghệ sản xuất bột protein plasma 3.2.1.1 Sơ đồ quy trình
Hình 3.2: Sơ đồ quy trình công nghệ sản suất bột protein plasma
3.2.1.2 Thuyết minh quy trình Dịch protein plasma
Dịch protein plasma đông lạnh (-18 o C) đƣợc rã đông ở nhiệt độ phòng để tiến hành quá trình cô đặc tiếp theo Nhiệt độ dịch protein plasma sau rã đông 0 – 4 o C
Dịch Protein plasma đông lạnh (-18 o C)
(Nhiệt độ dịch protein plasma sau rã đông: 0 - 4 o C)
(Nhiệt độ phòng: 30 o C, nhiệt độ tác nhân lạnh -60 o C, áp suất 60.10 -3 bar)
Mục đích của quá trình cô đặc là làm mất nước của dịch protein plasma đến nồng độ chất khô mong muốn cho quá trình sấy tiếp theo
Quá trình cô đặc bằng nhiệt thường tốn nhiều năng lượng và nhiệt độ cao có thể làm biến tính một số protein thành phần trong dịch Phương pháp cô đặc bằng màng trong kỹ thuật siêu lọc đƣợc đánh giá tốt do thời gian cô đặc nhanh, đơn giản, yêu cầu năng lượng thấp, không sử dụng nhiệt do vậy không làm ảnh hưởng đến sự biến tính do nhiệt của các protein thành phần trong plasma
Quá trình cô đặc đƣợc thực hiện ở điều kiện nhiệt độ phòng
Sử dụng phương pháp sấy thăng hoa dịch protein plasma sau quá trình cô đặc để tạo sản phẩm dạng bột, thuận lợi cho quá trình bảo quản
Dịch protein plasma sau cô đặc đƣợc cấp đông nhanh đến nhiệt độ - 40 o C Tiến hành sấy thăng hoa ở điều kiện nhiệt độ phòng 30 o C Nhiệt độ tác nhân lạnh -60 o C, áp suất 60.10 -3 bar
Bột protein plasma đƣợc đƣợc bảo quản trong bao bì PA/PE ở điều kiện mát 0- 4 o C để tiến hành các thí nghiệm tiếp theo
Trong nghiên cứu này, tiến hành phân tích thành phần dịch plasma protein trước khi khảo sát quá trình cô đặc dịch protein plasma bằng kỹ thuật siêu lọc Dịch protein plasma sau cô đặc sẽ đƣợc đem sấy thăng hoa thành bột và so sánh các tính chất chức năng với bột lòng trắng trứng Sau đó, bột protein plasma đƣợc ứng dụng thay thế bột lòng trắng trứng trong sản phẩm xúc xích thanh trùng Nội dung nghiên cứu được trình bày chi tiết như Hình 3.3
Hình 3.3: Nội dung nghiên cứu
So sánh tính chất chức năng của bột protein plasma với bột lòng trắng trứng
- Khả năng tạo bọt, độ bền bọt
- Khả năng tạo gel - Khả năng tạo nhũ, độ bền nhũ Ứng dụng bột protein plasma thay thế bột lòng trắng trứng trong sản phẩm xúc xích thanh trùng Đánh giá kết quả phân tích cấu trúc và điểm đánh giá các chỉ tiêu cảm quan của hội đồng
Phân tích thành phần dịch protein plasma
Hàm lƣợng protein (g/L), % chất khô,
Khảo sát quá trình cô đặc dịch protein plasma bằng kỹ thuật siêu lọc
Khảo sát ảnh hưởng của áp suất và kích thước mao quản màng đến quá trình phân riêng Động học quá trình cô đặc
3.2.3 Nội dung thực hiện đề tài
Nội dung 1: Phân tích thành phần dịch protein plasma
Mục tiêu: phân tích các thành phần cơ bản trong dịch protein plasma trước khi tiến hành các thí nghiệm tiếp theo nhằm đánh giá khả năng thu nhận protein cũng nhƣ khả năng ứng dụng kỹ thuật siêu lọc trong cô đặc protein plasma từ huyết
Nội dung thực hiện: phân tích thành phần dịch protein plasma với các thông số kỹ thuật nhƣ sau:
Khối lƣợng phân tử các protein có trong dịch protein plasma
Sử dụng các phương pháp phân tích về hàm lượng protein, chất khô, tro, béo và pH
Sử dụng phương pháp điện di (phương pháp SDS-PAGE) để xác định khối lƣợng phân tử các protein có trong dịch plasma protein
Nội dung 2: Khảo sát ảnh hưởng của áp suất và kích thước mao quản màng đến quá trình phân riêng
Mục tiêu: chọn đƣợc loại màng và áp suất làm việc thích hợp cho việc khảo sát động học quá trình cô đặc trong thí nghiệm tiếp theo
Kích thước mao quản màng khảo sát: 20kDa (GR61PP), 25kDa (GR60PP), 50kDa (GR51PP)
Áp suất khảo sát: 2 bar, 4 bar, 6 bar, 8 bar, 10 bar
Phương pháp thực hiện: Thí nghiệm thực hiện trên thiết bị Test cell
Nội dung 3: Khảo sát động học quá trình cô đặc
Mục tiêu: thực hiện khảo sát động học quá trình cô đặc trên loại màng có kích thước mao quản và áp suất làm việc thích hợp đã chọn được từ thí nghệm 2 qua đó đánh giá khả năng áp dụng kỹ thuật siêu lọc cho việc cô đặc protein plasma
Lưu lượng dòng nhập liệu: 750 L/h
Diện tích màng sử dụng: 0,018×4 = 0,072 m 2
Phương thức vận hành: hồi lưu toàn phần không bổ sung nguyên liệu
Hiệu suất thu hồi protein (%)
Nồng độ protein trong dòng giữ lại trên màng (g/L)
Tỷ lệ cô đặc thể tích (VCF)
Phương pháp thực hiện: Thực hiện trên thiết bị Labstak M20 Nội dung 4: So sánh tính chất chức năng của bột protein plasma với bột lòng trắng trứng
Các tính chất của các thành phần phụ gia thực phẩm nhƣ khả năng tạo nhũ, khả năng tạo gel, khả năng tạo bọt giữ vai trò quan trọng trong chế biến thực phẩm vì phần lớn các sản phẩm thực phẩm là hệ nhũ và hệ bọt [15] Protein plasma từ huyết có nhiều ứng dụng trong thực phẩm nhờ vào tính chất chức năng của các protein thành phần, thường được kết hợp trong các sản phẩm thịt nhờ vào khả năng tạo gel, tạo bọt và tạo nhũ Ngoài ra, có thể sử dụng protein plasma để thay thế cho bột lòng trắng trứng bên cạnh mục đích kinh tế còn tránh đƣợc vấn đề dị ứng
Mục tiêu: so sánh các tính chất chức năng giữa bột protein plasma với bột lòng trắng trứng đang sử dụng trong sản phẩm xúc xích thanh trùng dạng nhũ tương
Các tính chất chức năng của 2 loại bột đƣợc khảo sát và so sánh gồm:
Khả năng tạo bọt, độ bền bọt
Khả năng tạo nhũ và độ bền nhũ
Phương pháp thực hiện: sử dụng các phương pháp phân tích về tính chất bọt, khả năng tạo gel, tính chất nhũ
Thí nghiệm 5: Ứng dụng thay thế bột lòng trắng trứng trong sản phẩm xúc xích thanh trùng
Mục tiêu: đánh giá khả năng ứng dụng bột protein plasma thay thế bột lòng trắng trứng đang sử dụng trong sản phẩm xúc xích thanh trùng
Tiến hành sản xuất thử nghiệm 2 mẫu xúc xúc thanh trùng:
Mẫu đối chứng có sử dụng 1% bột lòng trắng trứng
Mẫu thí nghiệm sử dụng 1% bột protein plasma thay thế cho 1% bột lòng trắng trứng sử dụng trong công thức mẫu đối chứng
Bảng 3.6: Công thức thử nghiệm xúc xích thanh trùng
Mẫu thí nghiệm (TN) Tỷ lệ (%) Tỷ lệ (%)
Tất cả các nguyên phụ liệu được xay thành dạng nhũ tương, sau đó nhồi vào vỏ bọc cellulose đường kính 21mm Sấy 15 phút ở 60 o C, xông khói 20 phút ở 65 o C và sau đó đƣợc nấu ở 80 o C đến khi nhiệt độ tâm đạt 76 o C Sản phẩm sau đó đƣợc cho vào túi hút chân không và bảo quản lạnh 0 -4 o C
Sản phẩm đƣợc đánh giá về:
Thông số phân tích cấu trúc
Các chỉ tiêu cảm quan
Phân tích cấu trúc bằng thiết bị instron model 5543
Đánh giá các chỉ tiêu cảm quan sản phẩm thông qua hội đồng cảm quan theo mức độ ƣa thích
3.2.4 Phương pháp phân tích, tính toán và xử lý số liệu 3.2.4.1 Phương pháp phân tích a) Xác định độ ẩm Nguyên tắc: Sấy mẫu cần phân tích có khối lƣợng ban đầu là mo đến khối lƣợng không đổi m1 Độ ẩm của mẫu (%) đƣợc xác định theo công thức sau:
0 m m 100% m ẹo ọaồm (%) b) Xác định nồng độ protein hòa tan theo phương pháp Lowry Nguyên tắc: Phương pháp này dựa trên cơ sở phức chất đồng protein khử hỗn hợp photphomolipden – photphovonphramat (thuốc thử Folin – ciocalteu) tạo phức chất màu xanh da trời có độ hấp thụ cực đại ở bước sóng 750 nm
Cường độ màu của hỗn hợp phản ứng tỉ lệ thuận với nồng độ protein trong một phạm vi nhất định Dựa vào mức độ hấp thụ quang học của protein chuẩn, ta có thể xác định đƣợc hàm lƣợng protein trong mẫu nghiên cứu c) Xác định hàm lƣợng protein tổng Nguyên tắc: Khi đốt nóng mẫu đem phân tích với H2SO 4 đậm đặc, các hợp chất hữu cơ bị oxy hóa Carbon và Hydro tạo thành CO2 và H2O Còn Nitơ sau khi đƣợc giải phóng ra dưới dạng NH3 sẽ kết hợp với H 2 SO 4 tạo thành (NH 4 ) 2 SO 4 tan trong dung dịch Đuổi NH3 ra khỏi dung dịch bằng NaOH đồng thời cất và thu NH3 bằng một lƣợng dƣ H3BO3 3% Chuẩn độ bằng HCl 0.1N chuẩn sẽ xác định đƣợc lƣợng
Trước tiên mẫu được vô cơ hóa bằng H2SO 4 đậm đặc ở nhiệt độ cao và có chất xúc tác Các phản ứng của quá trình oxy hóa xảy ra nhƣ sau:
Oxy tạo thành lại oxy hóa các nguyên tố khác: Carbon tạo thành CO2, Hydro tạo thành H 2 O, còn Nitơ giải phóng ra dưới dạng NH3 kết hợp với H 2 SO 4 dư tạo thành (NH4)2SO4 tan trong dung dịch:
NH H SO NH SO Đuổi NH3 ra khỏi dung dịch bằng NaOH:
NH 4 2 SO 42NaOHNa SO H O 2 4 2 2NH 3
NH 3 bay ra cùng với nước sang bình hứng, trong bình hứng chứa H 3 BO 3 :
2NH OH4H BO NH BO7H O
Trong dung dịch này, NH3 tồn tại dưới dạng ion NH 4 + và giải phóng ra ion H2BO3
- Chuẩn độ lƣợng ion này bằng H2SO4 0,1N sẽ xác định đƣợc lƣợng NH3 sinh ra Từ đó, suy ra đƣợc lƣợng đạm trong mẫu nguyên liệu. d) Xác định hàm lƣợng tro
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
4.1 Thành phần dịch protein plasma trước khi cô đặc
Bảng 4.1: Thành phần dịch protein plasma trước khi cô đặc
Hàm lƣợng béo (%) Dịch protein plasma
Hình 4.1: Khối lượng phân tử các protein trong dịch protein plasma trước khi cô đặc qua kết quả điện di
Bảng 4.1 cho thấy dịch protein plasma có hàm lƣợng protein cao thích hợp cho việc nghiên cứu thu nhận nguồn protein này Hàm lƣợng béo và tro thấp cùng với pH xa điểm đẳng điện của các protein thành phần nên có khả năng áp dụng kỹ thuật cô đặc bằng màng đối với dịch protein plasma Khối lƣợng phân tử các protein trong plasma lớn hơn 24kDa và phần lớn tập trung từ 52kDa đến 76kDa (Hình 4.1) Điều này liên quan đến việc chọn kích thước mao quản của màng trong thí nghiệm khảo sát quá trình cô đặc thang
4.2 Cô đặc dịch protein plasma bằng kỹ thuật siêu lọc
4.2.1 Ảnh hưởng của áp suất và kích thước mao quản màng đến quá trình phân riêng
Trong cô đặc bằng kỹ thuật siêu lọc, kích thước mao quản của màng là yếu tố quan trọng nhất, mang tính quyết định đến hiệu quả của quá trình cô đặc Nguyên lý của quá trình này là sự phân riêng có chọn lọc các cấu tử có kích thước khác nhau
Protein plasma có kích thước phân tử lớn được màng giữ lại ở trên màng và thu hồi qua dòng cô đặc, còn các phân tử có kích thước nhỏ hơn sẽ đi qua màng Phân tử có kích thước lớn thường sẽ có khối lượng phân tử lớn, và ngược lại Vì vậy, kích thước phân tử của protein ở trên màng có thể được biểu hiện qua khối lượng phân tử được giữ lại (MWCO) Do đó, việc lựa chọn kích thước mao quản màng dựa trên MWCO
Hình 4.2: Ảnh hưởng của áp suất vận hành và kích thước mao quản của màng đến độ phân riêng
Hình 4.2 cho thấy, khi sử dụng 3 loại màng với kích thước mao quản 20kDa, 25kDa và 50kDa đều cho kết quả độ phân riêng rất cao Kết quả độ phân riêng của của cả 3 loại màng đều lớn hơn 99,87% ở các áp suất khảo sát và không có sự khác biệt giữa 3 loại màng Điều này có thể giải thích, từ kết quả điện di (Hình 4.1) phần lớn các protein trong dịch plasma có khối lƣợng phân tử lớn hơn 24kDa do vậy cả 3 loại màng đều cho khả năng phân riêng tốt
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của kích thước màng và áp suất làm việc đến thông lượng (Hình 4.3), nhận thấy ứng với màng có kích thước mao quản càng lớn thì thông lƣợng càng cao Tại các giá trị áp suất khảo sát, màng 50kDa đều cho kết quả thông lượng cao hơn các màng có kích thước mao quản 20kDa và 25kDa Ở mỗi kích thước màng, có sự tăng thông lượng khi tăng áp suất làm việc, điều này phù hợp với phương trình Darcy, thông lượng là hàm tỉ lệ thuận với áp suất vận hành
Bên cạnh đó, khi tăng áp suất từ 2 bar đến 6 bar thông lƣợng tăng khá lớn, từ áp suất 6 bar đến 10 bar, thông lƣợng vẫn tiếp tục tăng nhƣng tốc độ tăng giảm lại Có thể thấy áp suất 6 bar là áp suất làm việc thích hợp vì nếu tiếp tục tăng áp suất hơn nữa mức độ tăng thông lƣợng không cao, thêm vào đó áp suất làm việc cao có thể dẫn đến là hƣ hỏng màng
Hình 4.3: Ảnh hưởng của áp suất vận hành và kích thước mao quản của màng đến thông lượng
Như vậy, với các kết quả thu được qua quá trình khảo sát, kích thước màng 50kDa và áp suất là 6 bar đƣợc chọn cho khảo sát động học quá trình cô đặc dịch protein plasma vì cho kết quả về độ phân riêng protein và thông lƣợng cao
4.2.2 Động học quá trình cô đặc
Kết quả khảo sát động học quá trình cô đặc từ Hình 4.4 và Hình 4.5 cho thấy, sau 6h tiến hành thí nghiệm cô đặc, nồng độ protein từ 65,42g/L tăng lên 189,15g/L tăng gấp 2,89 lần, hiệu suất thu hồi ở cuối quá trình 99,47%, hệ số cô đặc thể tích bằng 3, độ tinh sạch đạt đƣợc 88,39%
Hình 4.4: Thông lượng và hệ số cô đặc thể tích theo thời gian
Hình 4.5: Nồng độ protein ở dòng cô đặc, hiệu suất thu hồi và độ tinh sạch protein theo hệ số cô đặc thể tích
Trong quá trình phân riêng, dưới tác động của áp suất các cấu tử tập trung ngày càng nhiều ở trên bề mặt màng, nhờ sự cuốn của dòng qua lọc một số cấu tử bị kéo qua màng Do đó, hiệu suất thu hồi protein có giảm nhƣng không đáng kể
Nồng độ protein trong dòng cô đặc tăng nên độ phân riêng protein có xu thế tăng
Cũng lý do trên, do sự tập trung của các cấu tử mặc dù cũng chịu sự lôi cuốn của dòng chảy trên bề mặt màng nhƣng theo thời gian trở lực (trở lực tập trung nồng độ và trở lực tắc nghẽn) ngày càng tăng nên thông lƣợng ngày càng giảm Sau 6h cô đặc, thông lƣợng giảm từ 19,57 L.m -2 h -1 còn 2,86 L.m -2 h -1
Hình 4.6: Thông lượng theo hệ số cô đặc thể tích
Trong quá trình cô đặc, tại bề mặt màng có sự tập trung nồng độ Nồng độ các cấu tử ngay tại bề mặt màng cao hơn nồng độ các cấu tử trong dòng cô đặc Giả sử độ phân riêng R bằng 1 và bỏ qua ảnh hưởng của nồng độ và thông lượng đến hệ số truyền khối k Khi đó nồng độ cấu tử ngay tại bề mặt màng sẽ là:
Cm: nồng độ cấu tử ngay tại bề mặt màng C r : nồng độ cấu tử dòng cô đặc
J: thông lƣợng k: hệ số truyền khối Nồng độ các cấu tử trên màng tăng nhanh dẫn đến việc hình thành lớp gel trên bề mặt màng làm giảm thông lƣợng đến một giá trị giới hạn (Wijman, 1984):
J ∞ = kln(Cg/Cr) (1) Trong đó:
J ∞ : thông lƣợng giới hạn Cg: nồng độ lớp gel ngay tại bề mặt màng và là nồng độ lớn nhất đạt đƣợc Khi R = 1 thì:
Co.Vo = Cr.Vr Từ đó suy ra Cr = Co.VCF (2)
Co: nồng độ cấu tử trong dòng nhập liệu ban đầu Vo: thể tích dòng nhập liệu ban đầu
C r : nồng độ cấu tử trong dòng cô đặc
Vr: thể tích dòng cô đặc α: hệ số cô đặc cực đại Từ (1), (2), (3) suy ra được phương trình:
Từ dữ liệu thí nghiệm khi tiến hành vẽ đồ thị thông lƣợng theo hệ số cô đặc
(lnVCF) (Hình 4.6) xác định được phương trình:
y = -14,686x + 17,368 = klnα – kln(VCF) Từ phương trình suy ra k bằng 14,686 và hệ số cô đặc cực đại α bằng 3,28 (e17,368/14,686
) Tóm lại, sau 6h quá trình cô đặc kết thúc với hệ số cô đặc thể tích bằng 3 xấp xỉ hệ số cô đặc cực đại, dung dịch protein có nồng độ chất khô đạt 21,40% đủ điều kiện để tiến hành quá trình sấy thăng hoa tạo bột
4.3 So sánh tính chất chức năng của bột protein plasma với bột lòng trắng trứng
Chế phẩm bột protein plasma thu đƣợc sau khi cô đặc bằng màng và sấy thăng hoa có độ ẩm 6,00%, hàm lƣợng protein đạt 87,94% trên chất khô Hàm lƣợng protein và độ ẩm tương đương với chế phẩm bột lòng trắng trứng trên thị trường (Bảng 4.2)
Bảng 4.2: Thông số các loại bột khảo sát
Mẫu Thông số Độ ẩm (%)
Hàm lƣợng protein (% trên chất khô)
4.3.1 Tính chất bọt của bột protein plasma và bột lòng trắng trứng
Tính chất bọt protein thể hiện qua 2 thông số là khả năng tạo bọt và độ bền bọt
Khả năng tạo bọt liên quan đến tính chất của pha liên tục, là khả năng tạo lớp màng phim bao quanh pha phân tán là các bong bóng khí Độ bền bọt liên quan đến độ bền của lớp màng phim (khả năng tương tác của các phân tử protein với nhau và với dung môi), khả năng giữ khí theo thời gian Để việc tạo bọt hiệu quả, các protein phải có khả năng di chuyển nhanh và định hướng tạo thành lớp màng phim bao quanh các bong bóng khí Kết quả thu đƣợc ở Bảng 4.3 cho thấy khả năng tạo bọt của mẫu bột protein plasma tương đương với bột lòng trắng trứng tuy nhiên độ bền bọt của bột protein plasma thấp hơn
Bảng 4.3: Tính chất bọt của bột protein plasma và bột lòng trắng trứng
Mẫu Tính chất tạo bọt
Khả năng tạo bọt (%) Độ bền bọt (phút)
Bột lòng trắng trứng 81,67 ± 2,51 a 274,33 ± 10,02 a Bột protein plasma 80,33 ± 0,57 a 199,33 ± 10,07 b
Trong cùng một cột các giá trị có ký hiệu khác nhau biểu thị sự khác nhau có nghĩa (p
