Luận văn thạc sĩ Công nghệ thực phẩm: Khảo sát quá trình phân riêng protein đậu phộng bằng kỹ thuật siêu lọc

Nội dung = Khảo sát ảnh hưởng của kích thước mao quản, pH nhập liệu, áp suất vận hànhđến độ phân riêng protein, phytate, carbohydrate và thông lượng dòng qua màng trong quá trình siêu lọ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠITRUONG ĐẠI HOC BACH KHOA - ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HO CHI MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS LE VAN VIET MANCán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS MAI THANH PHONG

Cán bộ cham nhận xét 2: TS HOÀNG KIM ANH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học QuốcGia 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 ĐÔNG THỊ THANH THU

2.PGS.TS MAI THANH PHONG

3.TS HOÀNG KIM ANH

4.TS NGUYÊN HUYNH BACH SƠN LONG5 TS TRAN THI NGOC YEN

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quan lý

chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIEM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨHọ tên học viên: Trần Chí Hải MSHV: 12113158Ngày sinh: 14/12/1989 Nơi sinh: Tiền GiangChuyên ngành: CN Thực Phẩm & Đồ Uống Mã số: 605402

I Tên đề tài

KHAO SÁT QUÁ TRÌNH PHAN RIENG PROTEIN DAU PHONG

BANG KY THUAT SIEU LOC

II Nhiém vu va noi dungNhiém vu

= Khao sát một số thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình phân riêngprotein đậu phộng băng kỹ thuật siêu lọc

= Nâng cao độ tinh sạch và hiệu suất thu hồi protein đậu phộng trong quá trìnhphân riêng bằng màng siêu lọc

Nội dung

= Khảo sát ảnh hưởng của kích thước mao quản, pH nhập liệu, áp suất vận hànhđến 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 dịchprotein đậu phộng.

= Khảo sát ảnh hưởng của giải pháp bố sung nước đến hiệu suất thu hoi protein,

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

III Ngày giao nhiệm vụ14/01/2013

IV Ngày hoàn thành nhiệm vu

20/06/2014

V Cán bộ hướng dẫnPGS TS Lê Văn Việt Mẫn

Tp Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 07 năm 2014

Cán bộ hướng dẫn Chủ nhiệm bộ môn

Trưởng khoa Kỹ Thuật Hóa Học

LOI CAM ON

Đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Lê Van Việt Mẫn đã tận tìnhgiúp đỡ, hướng dẫn cho em trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Kê đên, con xin cảm ơn gia đình đã hồ trợ và động viên trong suôt quá trình con

học tập tại trường Dai học Bách Khoa thành phố Hỗ Chí Minh.Ngoài ra, em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến tập thé quý thầy cô bộ môn Côngnghệ thực phẩm, những người đã dẫn dắt, chỉ dạy cho em kiến thức nên tang cũng nhưcác kỹ năng xã hội cần thiết, làm hành trang giúp em tự tin bước vào đời

Bên cạnh đó, em cũng xin cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của các giáo sư Mondor, giáosư Vandré về phương pháp phân tích và xử lý sô liệu, và các anh chị Nhóm Tải Báotrong việc chia sẻ cái tài liệu liên quan.

Cuôi 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 hoản thành luận văn tốt nghiệp này

TP Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 07 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Trần Chí Hải

TÓM TẮT LUẬN VĂNTrong nghiên cứu này, khả năng phân riêng dịch trích protein đậu phộng bangkỹ 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 va carbohydrate cao hơn màng 25 kDa, mặc dù độphân riêng protein của màng 50 kDa thấp hơn Các thông số khác đi cùng với màng 50kDa nhằm đạt được hiệu quả phân riêng cao nhất là pH nhập liệu 5, áp suất vận hành 6bar Khi thực hiện quá trình siêu lọc ở điều kiện trên, hiệu suất thu hồi protein đạt hơn95%, ti lệ loại bỏ phytate và carbohydrate lần lượt đạt trên 30% và 56% tại hệ số côđặc 2,5 Nhăm tăng hiệu quả tinh sạch protein, giải pháp bố sung nước gián đoạn cũngđã được tiến hành Phương án bồ sung nước 3 lần cho tỉ lệ loại bỏ carbohydrate vàphytate 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 kha thi cao.

VỊ

ABSTRACTThis study focused on the separation of peanut protein by ultrafiltration.Membrane with 50 kDa of molecular weight cut off showed higher permeate flux andselectivity factor of phytate and carbohydrate than 25 kDa membrane However, theprotein rejection of 50 kDa membrane was less than that of 25 kDa membrane Peanutprotein extract, adjusted to the pH 5, concentrated by 50 kDa membrane, wasconducted in dead — end model at the operating pressure of 6 bar The results showedthat the recovery yield of protein was approximately 95% at the concentration factor of2,5 Moreover, the ratio of phytate and carbohydrate removal was 30% and 56%,respectively In addition, discontinuous diafiltration was applied for proteinpurification More than 90 % of phytate and carbohydrate was rejected with the threedilution cycles Ultrafiltration has been a potential solution to separate peanut proteinin protein concentrate/isolate production.

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kếtquả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từbat ky một nguồn nào và dưới bat kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệuđã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cau

Tác giả luận án

Tran Chí Hai

Vill

MỤC LỤC

LOI CAM 090 VTOM TAT LUẬN VĂN - 11211111 91515151 5151181118111 11 111111111151 11 111111111 rrree vi

[.ÿPJ ›©.ltiidđdiidiii - Vil

LOI CAM DOAN Wu sssessssssssesseesssesusesusesueesusecusesusesusesusesunesaesusesasesusesusesuresanecanenseeseets viii

MUC LUC 92 2 (<4 IX

DANH MỤC HÌNH -G- E1 51919191 1E 91119121 1 11101511110 11101211 1 ng gi xiDANH MUC BANG 22 xiiiChương 1 GIỚI THIEU wo ccceccecccccccssecscscscscscsssscscscscscscsvecscsvevsvsssvsssesesssscscasaeaveveens |Chương 2 TONG QUANN 5 - E11 E313 1 1 1 111 111111517151512115151111 1101111111 3

2.1 Đậu phng - - << 0g họ 3

2.1.1 Thành phan hóa hoc hạt đậu phộng - - - << - S1 11199 1 vn 3

2.1.2 Protein đậu phộng - -< s9 re 4“3L `) (0) xa S

2.2.1 Đại cương VỀ SECU [ỌC G6 1919191 1 56911151 1E 511111 1 5111015813 1xx 8

2.2.2 Thông lượng dòng qua mng .- << s10 1990 9 ng ke 10

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

5 ảằẳằĂ 12

2.2.4 Hiện tượng tắc nghẽn màng ¿2 525292 E2E#EE£EESEEEErrererrrrees 142.2.5 Ứng dụng kỹ thuật siêu lọc vào quá trình phân riêng protein họ đậu 19Chương 3 NGUYEN LIEU VA PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

S50 20,00 - - -.- 22

3.2.1.1 Chuẩn bị bột đậu PhOng tach p co 223.2.1.2 Chuẩn bị dịch trích đậu phông - - - - ch 22

3.2 Phương pháp nghiên CỨU - - (<< <1 199910111 199 9001 ng 24

3.3 Phương pháp phân tích, tính toán và xử lý số liệu: ¿ - +55 c+c<=s+s¿ 28

3.3.1 Phương pháp phân tich - - - - - + 1131932110101 199 99111 re 28

3.3.2 Công thức tính toán, xử lý số liệu -¿-¿- + + 2 +s+++£++E+EeErxrrerersrrees 30Chương 4 KET QUA VA BAN LUẬN - << 5S 3E 1151515111111 te, 344.1 Anh hưởng của kích thước mao quản đến độ phân riêng protein, phytate,

carbohydrate và thông lượng dòng qua MAN - -< s S3 1 ve eeg 34

4.1.1 Độ phân riêng các cấu tỬ ¿-:- ¿2+5 E+E+E2EE2EE 12112111 errrrrkd 34

4.1.2 Thông lượng dòng qua màng - - - - «+ 1 +31 199950 11 99935 1k ren 37

4.2 Ảnh hưởng của pH dòng nhập liệu đến độ phân riêng protein, phytate,

carbohydrate và thông lượng dòng qua MAN - -< s S3 1 ve eeg 39

4.2.1 Độ phân riêng các cấu tỬ ¿-¿- ¿2+5 SE 2xx E3 E121 kerrrkd 39

4.2.2 Thông lượng dòng qua màng - - - «+1 +5 E19 950 11 19935 1k ren 42

4.3 Ảnh hưởng của áp suất vận hành đến độ phân riêng protein, phytate,

carbohydrate và thông lượng dòng qua MAN - -< s S3 1 ve eeg 44

4.3.1 Độ phân riêng các cấu UL eecececccesccsssessesesessssescscsesscsesesscsssesscscsesscsescseeseseseees 44

4.3.2 Thông lượng dòng qua màng - - - «+ <1 +31 19995011 99935 1k ren 45

4.4 Ảnh hưởng của hệ số cô đặc đến hiệu suất thu hồi protein, ti lệ loại bỏ phytate,

carbohydrate và thông lượng dòng qua MAN - -< s S3 1 ve eeg 47

4.4.1 Hiệu suất thu hồi protein và tỉ lệ loại bỏ các cầu tử - 5+: 47

4.4.2 Thông lượng dòng qua màng - - - «+ 1 +51 99950 11 9 3 1k ren 50

4.5 Anh hưởng của giải pháp bố sung nước vào dòng không qua màng đến hiệu suấtthu hồi protein, tỉ lệ loại bỏ phytate, carbohydrate và thông lượng dòng qua màng 534.5.1 Hiệu suất thu hồi protein và tỉ lệ loại bỏ cẫu tử - 2 2 2 2 s+ses+¿ 53

4.5.2 Thông lượng dòng qua màng - - - «+1 E1 95011 1993 1k ren 54

Chương 5 KẾT LUẬN VA KIÊN NGHỊ ¿2-2 EE£E£E+E+E+ESESEEEEEerkrererees 56TÀI LIEU THAM KHẢO G3911 569191 1E 911111 5 5181515113 E181 1e ki 57

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Mô hình siêu lọc dang dead — end và cross — ÍÏOW ĂẶ se 9

Hình 2.2 Thiết bị phân riêng với màng dang dead — end eccccescsesessssessesesesesseseeeees 10

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

Hình 2.4 Các cơ chế tắc nghẽn - 2255223 3EE 2332 1231112111111 re 18Hình 3.1 Thiết bị phân riêng Stirred Cell - 25-52 22222 ££‡E+Ez£‡xvxererrerrsred 23Hình 3 2 Cơ chế phản ứng của phương pháp LOWFY + + 255 +s+£z£z£ezszescze: 29Hình 4.1 Độ phân riêng protein, độ phân riêng phytate, độ phân riêng carbohydrate khithay đôi kích thước mao QUAN . ¿ - - ¿+ 5£ +E+E+S£+E+E#EE£E£EEEEEEEEEEEEEEvErrkrrrrrrrrree 35Hình 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 38Hình 4.4 Các loại trở lực của hai loại mang 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 suấtvận hành 6 bar, màng 50 KÌÏa) - - - G9999 0 ke 40Hình 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"` 131 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 hànhKHAC NNAU 0000 PHẳỎ 47

Hình 4.11 Nông độ các cau tử ở dòng không qua mang thay đổi theo hệ số cô đặc 49

Hình 4.12 Nông độ các cau tử ở dòng qua màng thay đôi theo hệ số cô đặc 49

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

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

Hình 4.15 Sự thay đối t/V theo thé tích lọc trong quá trình phân riêng dịch protein đậu

Hình 4.16 Sự thay đổi t/V theo thời gian lọc trong quá trình phân riêng dich protein

XI

DANH MỤC BANG

Bang 2.1 Khéi lượng phân tử của 5 nhóm chính của các đơn phân protein đậu phong 5Bảng 2.2 Thành phan amino acid trong protein đậu phộng - 2 255252552 6Bảng 2.3 Chất dị ứng đậu phộng -. - + 2E E32 E21 111511112111 71111111 111111 te 7Bang 2.4 Ảnh hưởng của các thành phan kháng dinh dưỡng - -55- 8Bang 3.1 Các thông số thiét bị, ¿G552 S121 3 15 3 1231111515111 117111111111 11 11x re 23

Bang 3 2 Dac tính kỹ thuật của các loại màng sử dụng << «<< «se 24

Bảng 4.1 Hệ số tách cau tử so với protein ứng với từng loại màng khác nhau 37Bảng 4.2 Hệ số tách cau tử so với protein ở các điều kiện pH nhập liệu khác nhau 41

Bảng 4.3 Hệ sô tách câu tử so với protein ở các điêu kiện áp suât vận hành khác nhau

Bang 4.1 Hệ sô tách câu tử so với protein ứng với từng loại màng khác nhau 37

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

Bang 4.3 Hệ sô tách cau tử so với protein ở các điêu kiện áp suat vận hành khác nhau

Chương 1 GIỚI THIEU

Đậu phộng (Arachis hypogaea L.) là một trong những cây trồng phô biến trênthé giới và là nguồn cung cấp nguyên liệu cho ngành công nghiệp dau béo Gan đây,đậu phộng được quan tâm như là một nguồn protein chi phí thấp dé bố sung vào khâuphan ăn hàng ngày của con người Ngoài các sản phẩm truyền thông như bơ đậu phộngvà đậu phộng rang, đậu phông còn được sử dụng để sản xuất một số loại bánh, làm chấtđộn trong các sản phẩm thịt, soup và sản phẩm tráng miệng Sau quá trình tách dau,phụ phẩm răn thu được có hàm lượng protein cao (45 — 60 %), chứa nhiều các acidamin thiết yếu và có thể sử dụng để khai thác protein, ứng dụng trong công nghệ thựcphẩm

Chế phẩm protein được dùng trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩmthường là các dang protein concentrate hoặc protein isolate Phương pháp truyền thốngdé sản xuất protein concentrate hay isolate từ đậu phộng có sử dụng dung môi, acid haybase, hoặc nhiệt nên có thể làm biến tính protein, từ đó làm giảm chất lượng của chếphẩm protein đậu phộng Ngoài ra, phương pháp truyền thống sinh ra một lượng lớnchất thải giống như whey acid (với hàm lượng protein khá cao) nên làm tăng nguy cơ ônhiễm môi trường nước Do đó, việc nghiên cứu những phương pháp mới để sản xuấtchế phẩm protein nhằm mục đích cải thiện chất lượng sản phẩm và hạn chế hiện tượng

6 nhiêm môi trường là cần thiệt.

Kỹ thuật siêu lọc được xem là một phương pháp mới trong quy trình sản xuấtchế 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 va protein isolate từ đậu nành được san xuất băng kỹ thuật siêu lọc có khả

năng hòa tan tốt, tính chất chức năng vượt trội và ít acid phytic hơn so với phươngpháp truyền thống Ngoài ra, kỹ thuật siêu lọc cũng được sử dụng để sản xuất chế phẩm

|

protein từ phụ phẩm quá trình sản xuất phô mai Tuy nhiên, kỹ thuật này có nhượcđiểm 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 đậuphộng 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 Cuốicùng, dựa vào các thông số đã lựa chọn, chúng tôi thử nghiệm bố sung nước vào dòngchưa 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 sâuhơn tiễn tới ứng dụng kỹ thuật siêu lọc trong quá trình phân riêng dịch trích protein đậu

phông ở quy mô công nghiệp.

Chương 2 TONG QUAN

2.1 Đậu phông

2.1.1 Thành phan hóa hoc hat đâu phông

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

đậu, thu hoạch hang năm, là nguồn cung cấp protein thực vật quan trọng đứng thứ haitrên thế giới sau đậu nành [1] Đậu phộng có nguồn gốc từ Nam Mỹ và được trồng đầutiên vào thế ky XVI [2] Theo thống kê, sản lượng đậu phộng từ đầu năm 2014 đếntháng 5 năm 2014 trên toàn thế giới dat được 40,86 triệu tan: trong đó, Viet Nam đãđóng góp xấp xỉ 0,55 triệu tấn và là một trong mười nước có sản lượng đậu phộng lớnnhất trên thế giới (USDA Foreign Agricultural Service, Table 13 Peanut Area, Yield,and Production) Hon nữa, theo tổ chức FAO, đậu phong cũng là một trong 15 loạithực 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 dé lay dau là chính [4] [5] Bêncạnh đó, đậu phộng còn được dùng để sản xuất bơ đậu phông, snack hạt và kẹo [6]

Sữa đậu phong, 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 béocần thiết [7]

Hạt đậu phộng có hai lá mam và phôi, được bao xung quanh bởi một vỏ lua [8]

Hạt đậu phộng chứa khoảng 36 — 54 % lipid, 21 — 36 % protein và lượng nhỏcarbohydrate và tro [8].

Thanh phan acid béo trong dau thay đối tùy thuộc vào giống, mức độ trưởngthành, điều kiện môi trường [9] [10] Acid béo oleic, linoleic, palmitic va stearic chiémthành phan lớn nhất và hon 90% tổng acid béo [9] [10] Dầu đậu phộng có 0,025% a —

3

tocopherol và 0,020% y — tocopherol [11] Đây là thành phan có hoạt tính chống oxyhóa 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 chat pectic và 2 % cellulose [8] Cũng như acid béo lượng đường thay doi

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 cótrong đậu phộng, ước tính khoảng 2 — 5 % tong khối lượng [8], kế đến là stachyose va

raffinose [6].

Thêm vào đó, đậu phộng cũng chứa một lượng đáng kế các vitamin va khoángchất Bên cạnh là nguồn cung cấp vitamin E, đậu phộng cũng cung cấp một lượng đángkế vitamin B, kali, photpho và magie [6] [8] Ngoài ra, nó cũng chứa một lượng nhỏ

vitamin C va một ít vitamin A, D, K [8].2.1.2 Protein dau phong

Hạt đậu phộng có chứa 21 — 36 % protein, gồm hai thành phan chính là globulin(tan trong nước muối) và albumin (tan trong nước) [14] [15] Trong tong luongglobulin, conarachin (tập trung ở tế bào chat) chiếm một phan mười và arachin (tronglớp auleron và phân thịt hạt) chiếm ba phân tư [14] Hai thành phần này là nhữngglobulin 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 đạiphân tử globulin có thé bị thủy phân để tạo nên các đơn phân có khối lượng phân tửnhỏ hơn (Bảng 2.1) Với những điều kiện trích ly protein khác nhau (loại môi trườngvà tỉ lệ dung môi/bột) thì thành phan, hàm lượng và tính chat của các protein đậu

phông sẽ khác nhau Nhìn chung, protein đậu phộng hoa tan ở khoảng pH từ 1 — 12,

trong đó hòa tan kém nhất tại pH từ 4,5 — 5,5 [5] Khi có mặt của các ion lạ (như Na’,PO, , Cl ) thì độ hòa tan của protein tai pH dang điện tăng dan.

Ngoài ra, khi nghiên cứu về thành phan polypeptide chính của đậu phộngisolate, Basha (1982) tìm thay 74 polypeptide chính và 100 — 125 polypeptide phụ cóthé được phân biệt thông qua điểm đăng điện pI và khối lượng phân tử [18] Điểm đăngđiện của các thành phan 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

[2]

Don phan protein dau phong Khối lượng phan tử (kDa)

Conarachin >50Acidic arachin 38-499

Protein có khối lượng phân tử trung bình 23 — 37,9

Arachin co ban 18-229

Protein có khối lượng phân tử thấp 14-179

Thanh phan va ham lượng của các loại acid amin được thé hiện qua Bảng 2.2

Rõ rang, đậu phộng giàu acid glutamic, aspartic acid và arginine, ít các acid amin cóchứa lưu huỳnh như methionine va cysteine [13] Hơn nữa, đậu phông cũng nghèo các

amino acid thiết yếu như lysine, threonine va methionine [13]

Các sản phẩm từ đậu phộng giàu protein bao gồm bã đậu phộng tách béo, bộtđậu phộng, chế phẩm protein concentrate và protein isolate đậu phộng Bã đậu phộng(45 — 60% protein) là sản phẩm thu được khi tách dau ra khỏi hạt đậu phộng [4] Trongbã, 97% protein tong là hai dang của globulin: arachin và conarachin [19] Hàm lượng

5

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

Bang 2.2 Thành phan amino acid trong protein đậu phộng [21]

Amino acid Ham lượng (g/100g protein)Glutamic acid 2301

Aspartic acid 12,91Arginine 12,43

Leicine 6,25Phenyalanine 541

Serine 5,22Glycine 5,15Proline 5,01Tyrosine 4,12Alanine 3,74Vanine 3.65Lysine 3,12Isolecine 2.83Threnonine 2.50

Histidine 2,22

Tryptophane 159

Methionine 052Cysteine 0,33

Các san phẩm đậu phộng tách béo dùng cho người (hàm lượng aflatoxin thấphơn 20 ppb) được bồ sung vào khá nhiều loại thực phẩm, gom bột đậu phộng (hamlượng protein nhỏ hơn 69%), chế phẩm protein concentrate (70 — 85% protein) và chế

phẩm protein isolate (86 — 100% protein) [4] [5] Bột đậu phong đã được thương mạihóa, nhưng vì có thé gây di ứng nên nó chưa được sử dụng rộng rãi đặc biệt là ở Hoa

Ky và các nước chau Au.

Quy trình sản xuất protein concentrate/isolate thường bắt đầu băng việc tríchprotein từ trong bột đậu phộng tách béo trong một loại dung môi (nước, kiềm, acid,muối, cồn loãng) Những thành phần không phải protein sẽ được loại bỏ Thôngthường, protein được kết tủa đăng điện từ dịch trích, phan tủa sẽ được thu nhận băngphương pháp ly tâm hoặc lọc Sau đó, phần tủa sẽ được xử lý để hoàn thiện sản phẩm

[4]

Ngoài ra, theo tổ chức khuyến cáo về thuốc và thực phẩm (FDA), đậu phộng làmột trong top tám thực phẩm gây dị ứng Đặc tính của các loại protein gây dị ứng đượcthé hiện trong Bang 2.3 Ara hl và Ara h2 là hai nhóm protein gây dị ứng chính trongđậu phộng, lần lượt chiếm từ 12 — 16 % và 5,9 — 9.3 % tong lượng protein [22] Cả hailoại chất dị ứng này có độ bên cao [23] [24] [25] và hơn 95 % người dùng di ứng vớiđậu phông có phan ứng của kháng thể immunoglobulin — E với Ara hl và Ara h2 [26].Những loại còn lại (Ara h3 — Ara h8) được coi là những chất gây dị ứng phụ vi mức độnhạy cảm của người dùng với những chất này rất thấp

Bảng 2.3 Chất dị ứng đậu phộng [27]Chat ding Khối lượng phântử(kDa) pI Họprotin Mức độ nhảy

cảm”

Ara hl 63,5 4,55 Vicilin 65 — 100Ara h2 17 5.2 Conglutin 71 — 100Ara h3 57 55 Glycinin 44 — 53Ara h4 35,9 55 Glycinin 44 — 53

Ara h5 14 46 Profilin 13

Ara h6 145 5,2 Conglutin 38Ara h7 15,8 5,6 Conglutin 43Ara hS 16,9 5,03 NA NA

NA = không có sẵn

* Phân trăm sô người thử bi di ứng đậu phộng

7

Bên cạnh đó, những thành phan kháng dinh dưỡng có trong đậu phộng cũng đãgóp phân làm giới hạn phạm vi ứng dụng của protein đậu phộng trong công nghiệpthực phẩm (Bang 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 thé [28] Nhiều tài liệu cho thấy, chỉ

cần một lượng nhỏ acid phytic có thể hình thành nên phức acid phytic — protein gây ứcchế enzyme tiêu hóa [28] Ngoài ra, acid phytic cũng có thé 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 Ảnh hưởng lên cơ thể

dưỡng

Phytate Giảm sự hấp thu canxi và satOxalate Giảm sự tông hợp canxiOligosaccharide Sinh khí day bụng, khó chịu và mat cảm giác ngon

tinh sạch các dung dịch đại phân tử như dung dịch protein, dung dich polysaccharide

Trong đó sự chênh lệch áp suất hai bên màng chính là động lực của quá trình phânriêng Kích thước mao quản của màng siêu lọc được tính theo khối lượng phân tử củahợp chất được giữ lại (molecular weight cut off (MWCO)) Giá trị kích thước maoquản này được hiểu là có hơn 90% lượng cấu tử có khối lượng phân tử tương ứng được

giữ lại trên màng Giá trị MWCO của màng siêu lọc năm trong khoảng từ 1 — 1000kDa Các cau 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 thé do một số yếu tô khác quyết định (nhưsự tích điện) Quá trình siêu lọc có thể được vận hành theo mô hình dead — end hoặccross — flow, được thể hiện qua Hình 2.1.

4 Y* eo “*~ ho ` :Se SOY oO XS) 1° ~ qua mang

Ƒ ova: ee6 Se ae Noon

Dong qua m Đấng qua mang

Hình 2.1 Mô hình siêu loc dang dead — end va 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 phan có khối lượng nhỏ hơn MWCO của màng sẽ đi qua mang cùng vớidung môi (nước), trong khi đó, những cau tử lớn hơn sẽ được giữ lại trên màng và cóthé tích tụ trên bề mặt Hiện tượng tắc nghẽn màng thường dễ xuất hiện ở trong môhình dead — end, nơi mà dòng nhập liệu được đi theo phương vuông góc với bề mặtmàng Ngược lại, hiện tượng tắc nghẽn màng có thể được giảm thiểu trong mô hìnhcross — flow, bởi vì dòng chảy tiếp tuyến với bề mặt màng có thé góp phan loại bỏ sự

tích tụ của các cầu tử trên bê mặt màng.

Thiết bị siêu lọc dead — end thường dùng là những bình hình trụ với một tắmmảng đặt trên một lưới hoặc tắm chồng đỡ (Hình 2.2) Những bình này có thé đượcnén áp suất bởi khí nitơ hoặc không khí Một thanh khuấy từ (hoặc cá từ và bể khuấy)có thé được sử dụng dé làm giảm thiểu hiện tượng tắc nghẽn mang và gia tăng thônglượng dòng qua màng Thiết bi này dé dàng tháo lắp để vệ sinh hay thay thé màngtrước khi vận hành với mẻ kế tiếp Những bình siêu lọc dạng này đặc biệt phù hợp choqui mô phòng thí nghiệm để nghiên cứu hay phát triển qui trình.

Nito/ không khi

lớn.2.2.2 Thông lượng dong qua mang

Thông lượng dòng qua màng (Ip) là một hàm tuyến tính theo áp suất qua màng

(transmembrane pressure (AP)) được tính theo trong phương trình Darcy:

trúc lỗ mao quản [34] Trở lực của màng được xác định thông qua việc xác định thông

lượng dòng qua màng theo áp suất từ phương trình (2.1) Trong quá trình lọc, các cầutử được giữ lại sẽ tích tụ trên bề mặt màng hoặc ở trong lỗ mao quản gây nên hiệntượng tac nghẽn màng va tăng trở lực thủy tĩnh Trở lực thủy tĩnh tổng Ry bao gồm trởlực của màng Ry, trở lực do hiện tượng tập trung nồng độ Rc và trở lực do hiện tượngtắc nghẽn mang Rr Trở lực do tắc nghẽn mang Rr, được xác định thông qua phươngtrình (2.2), có thé được chia thành hai phan là trở lực thuận nghịch Re (trở lực có thé bịloại bỏ bởi nước) và trở lực bất thuận nghịch Rị (trở lực chỉ có thé loại bỏ bởi hóa chất)[35] Một số chất tan tích lũy trên bề mặt màng dễ dàng bị rửa trôi bởi nước Trong khiđó, một vài chất tan liên kết chặt chẽ với màng khó bị loại khỏi màng nếu như khôngsử dụng hóa chất và áp suất

Ngoài ra, trở lực do tắc nghẽn màng còn có thé chia thành trở lực do hap phụ

Rag và trở lực do quá trình lọc R„ Trong nghiên cứu của Koutake va cộng sự (1992),

khi nhóm tác giả tiến hành vệ sinh mang đã bị tắc nghẽn bằng miếng xốp bọt biến, trởlực tắc nghẽn được chia thành trở lực trên bề mặt, Rags và Reis, và trong lỗ mao quản,Raap và Rep [36] Do đó, trở lực tong Rz cũng có thê được thé hiện qua phương trình

(2.3).

Re = Raa + Rett = Raas + Raap + Rruts + Reitep (2.3)

II

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

2.2.3.1 Các yếu tổ liên quan đến nguyên liệu can phân riêngNông độ dung dịch protein cao thì hiện tượng tập trung nồng độ dễ xảy ra hơnlàm cho thông lượng dòng qua màng giảm Bên cạnh đó, nông độ protein thấp thì khảnăng tích tụ của nó trên bề mặt màng giảm Vì vậy, trong nghiên cứu của Das và cộngsự 2008, khi tăng nông độ protein trong dòng nhập liệu từ hạt vừng từ 100 ppm lên 400ppm thi thông lượng dòng qua màng ở những phút dau tiên giảm xấp xi 43% Ngoài ra,nông 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

dân đền sự khuêch tán các câu tử qua mang bị hạn chê.

Bên cạnh protein là thành phần chủ yếu thì các thành phần khác nhưcarbohydrate, lipid, khoáng cũng sẽ ảnh hưởng đến quá trình phân riêng bằng siêu

lọc Grund và cộng sự (1992) nhận thay khi siéu loc mau nguyên liệu albumin huyếtthanh bò có chứa một ít lipid sẽ cho độ phân riêng protein cao và thông lượng dòng qua

màng thấp hon so với mẫu không có chứa lipid Điều nay được giải thích là do sự hìnhthành 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].

Ngoài ra, pH mẫu nguyên liệu cũng ảnh hưởng đến sự tích điện và kết tụ củacác phân tử protein Các nghiên cứu cho thấy, khi tiễn hành phân riêng dung dịchprotein ở xa điểm đăng điện của protein thì thông lượng dòng qua màng cao, ít xảy ranghẽn mang hơn so với các thí nghiệm dung dich protein có pH gan giá trị pI [39] [37][40] Hon nữa, lực ion (được tạo ra bằng việc bố sung muối) cũng ảnh hưởng đến khanăng phân riêng protein bằng màng siêu lọc Teng va cộng sự (2006) nhận thấy, khităng nồng độ muối (NaCl), thông lượng dòng qua màng tăng nhiều trong khoảng 0 —0,6 g/L, sau đó, thông lượng tang rất ít khi tiếp tục tăng nông 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 tổ liên quan đến mang siêu lọcMàng siêu lọc thường được dùng để phân riêng dung dịch protein làpolysulfone, polyacrylonitrile và vật liệu polymer từ cellulose (hau hết là celluloseacetate) Màng cellulose tái sinh là loại màng ưa nước nên ít gây tắc nghẽn khi phânriêng dịch protein Tuy vậy, độ bên hóa, nhiệt và độ xốp tương đối thấp (so với màngpolusulfone) là những hạn chế của loại màng này Do đó, dé chịu lực cơ học, bền nhiệtvà hóa chất, mảng polysulfone thường được sử dụng để thu nhận protein, đặc biệt làprotein họ đậu, mặc dù tính ky nước của màng này khá cao, thường dễ bị tắc nghẽn

hon [41] [42] [43] [44] Đề giải quyết nhược điểm này, màng polysulfone đã được thay

đổi cau trúc bề mặt Nhờ vậy, khi tiễn hành phân riêng protein trứng gà, thông lượngdòng qua màng tăng khi gan các nhóm carboxyl ưa nước vào trong cấu trúc của màngso với màng polysulfone truyền thông [45] Ngoài ra, bề mặt màng gỗ ghé cũng sẽ làmprotein 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]

13

[46] Tuy 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 proteinAp lực qua màng là động lực chính của quá trình phân riêng protein Áp lựctăng thì thông lượng dòng qua mảng cũng tăng, song, đến một giai đoạn nao đó thìthông lượng dòng qua màng sẽ gần như là không thay đối khi áp lực tăng lên do xảy rahiện tượng tập trung nông độ [47] [38] Tùy thuộc vào đặc tính cua mỗi loại nguyênliệu và thiết bị mà quá trình tăng áp lực có thể làm tăng hoặc giảm độ phân riêng của

protein.

Thêm vào đó, su tiếp xúc của các cau tử protein với bề mặt màng còn bị ảnhhưởng bởi tốc độ khuấy đảo Khi tốc độ khuấy đảo tăng dan thì hiện tượng tập trungnông 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 đối thông số nhiệt độ cầnđược tính toán kỹ, vì khi tăng nhiệt độ thường kéo theo sự biến tính của protein, các kếttủa dễ bị hap phụ trên bé mặt màng

2.2.4 Hiện tương tac nghẽn màngQuá trình siêu lọc thường được vận hành tại áp suất cô định Sự tăng lên của trởlực thủy tĩnh do màng bị tắc nghẽn có liên quan với sự giảm thông lượng dòng quamàng 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

tượng tập trung nồng độ, do sự tăng dan của gradient nồng độ giữa bề mặt màng vàdung dịch nhập liệu Đề đánh giá ảnh hưởng của hiện tượng tập trung nông độ, ngườita có thé quan sát thông qua so sánh giữa thông lượng dòng nước qua màng (Jw) vàthông lượng dòng dung dich qua mang (Jp) ở cùng một điều kiện áp suất vận hành Ởgiai đoạn thứ hai, thông lượng dòng qua màng giảm do sự hấp phụ và tích tụ của chấttan trong lỗ mao quản cũng như là trên bề mặt ngoài của màng Tốc độ giảm thônglượng trong giai đoạn này phụ thuộc vào đặc tính của các tương tác giữa chất tan —màng và chất tan — chat tan Trong giai đoạn cuối cùng, thông lượng có thé dat tới giátrị ôn định hoặc giảm rất chậm do toàn bộ trở lực hầu như đã hình thành ở giai đoạn

trên, ở giai đoạn này, sự tích lũy các câu tử hòa tan làm trở lực tăng rât nhỏ.

Thông lượng dòng qua màng <

Thời gian

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

2.2.4.1 Hiện tượng tập trung nông độTập trung nồng độ là hiện tượng xuất hiện một gradient nong độ giữa bề mặtmàng va dung dịch can phân riêng Chat tan liên tục được dòng nhập liệu đưa đến bêmặt màng, do đó, nông độ của những cầu tử được giữ lại sẽ tăng cao hơn tại bề mặtmang Gradient nong độ là động lực cho sự khuếch tán ngược trở lại của chất tan vàotrong dung dịch cần phân riêng Tại thời điểm thông lượng dòng qua màng lớn (chănghạn thời điểm đầu của quá trình lọc), tốc độ dòng đối lưu cao hơn dòng khuếch tán

15

ngược, và chất tan nhanh chóng tích tụ trên bề mặt màng Tốc độ khuếch tán ngượcphụ thuộc vào tính chất của cau tử can phân riêng (hình dạng và kích thước) và độ nhớtcủa dung dịch [34] Tập trung nồng độ không ảnh hưởng đến tính chat phân riêng củamàng nhưng làm tăng trở lực đối với dòng qua màng Ảnh hưởng của hiện tượng tậptrung nông độ thường giảm thiểu rất nhiều trong hệ thong cross — flow bởi vì tác độngquét của dòng tiếp tuyến.

2.2.4.2 Hiện tượng hấp phụ và tích tụ của proteinĐối với quá trình phân riêng dung dịch protein bằng siêu lọc, protein là tác nhânchính gây nên sự tắc nghẽn Hiện tượng tắc nghẽn màng phụ thuộc vào tính chất hấpphụ và tích lũy của protein lên bề mặt màng Protein có thể hấp phụ hay tích tụ bênngoài bề mặt màng (tắc nghẽn bên ngoài) hoặc bên trong lỗ mao quản (tắc nghẽn bêntrong) Trong siêu lọc, tắc nghẽn bên ngoài là cơ chế tắc nghẽn chủ yếu Sự bít lỗ maoquản có lẽ xảy ra khi kích thước protein gần băng đường kính lỗ mao quản do proteinbị giữ lại ở những chỗ bị thắt lại của lỗ mao quan [48] Sự hiện diện của các nhómphân cực và không phân cực trong trình tự sắp xếp các amino acid trong phân tửprotein giúp cho protein có khả năng hap phụ vào cả bé mặt phân cực và không phâncực Người ta nhận thấy rằng khi phân riêng bằng siêu lọc, protein có xu hướng hấpphụ và bị tích tụ nhiều hơn đối với màng ky nước hơn là màng ưa nước [49] [50] Sựhấp phụ của protein xảy ra ngay khi dung dịch protein và bề mặt màng tiếp xúc vớinhau, hình thành một lớp phân vùng băng protein giữa pha rắn và pha lỏng Lượngprotein hấp phụ tùy thuộc vào vật liệu màng, tích chất của protein (sự tích điện và kynước), và tính chất dung dịch (pH và luc ion) và có thể được xác định băng cách ngâmmàng vào dung dịch protein ở điều kiện tĩnh (chắng hạn, không nén áp để không tạothành dòng qua màng) Protein hấp phụ được xem như là bất thuận nghịch, điều này cóthé được lý giải bởi protein có thé tương tác với bề mặt màng thông qua lực tĩnh điện,tương tác phân cực và ky nước, liên kết hydro và lực Van der Waals tại những vị trí bất

kỳ trong chuỗi polypeptide Tuy sự hình thành và phá vỡ những liên kết riêng rẽ có thểlà 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 bềmặt màng mà tại đây chúng trở nên gắn chặt với bề mặt màng Nhiéu lớp protein có thểhình thành trên bề mặt này, tùy thuộc vào độ lớn của tương tác giữa các phân tử Độxốp (không gian trỗng) của lớp tích tụ giảm khi càng gần màng và càng xa màng thì độxốp 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 proteingan bề mat 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 cua dung dich [52]

Người ta mong đợi rang mức độ tích tụ của protein cũng sé được điều chỉnh bởi nồngđộ 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 tăngđộ phân riêng của các cấu tử nhỏ hơn, vì thế, nó làm giảm hiệu quả quá trình phânriêng chất tan Bởi vì, không chỉ thông lượng dòng qua màng bị giảm mà độ chọn lọccũng ngày càng thấp nên việc lựa chọn các thông số vận hành như áp suất qua màng,tốc độ khuấy, nông độ, pH, lực ion để giảm thiểu tác động của quá trình tắc nghẽnmàng là thật sự cần thiết, để quá trình phân riêng băng siêu lọc đạt hiệu quả cao

2.2.4.3 Các cơ chế tắc nghẽn mangĐể giải thích cho hiện tượng tắc nghẽn màng, người ta sử dụng bốn cơ chế tắc

nghẽn là che kin co ban (standard blocking), che kín hoàn toàn (complete blocking),

che kín một phan (intermediate blocking), va banh loc (cake filtration) [53]

17

Cơ chế che kín cơ bản xảy ra khi chất tan có thé đi vào 16 mao quan và hap 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 nhữngchất tan bị tích tụ, kéo theo là sự giảm SỐ lượng lỗ mao quản trên màng Còn cơ chếche kín một phần được đặc trung không chỉ sự nghẹt một phần lỗ màng mà còn baogôm 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

(C) Che kín một phân (D) Bánh lọc

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

d*t dt\!=k (=) (2.4)

dv2 dV

Với t là thời gian hoạt động, V là thể tích tích lũy được của dòng qua qua lọc, hệsố k và ¡ 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 cơchế tac nghẽn Khi đồ thị t/V và t là một đường thang, thì cơ chế tắc nghẽn là che kíncơ bản Ngược lại, cơ chế hình thành bánh lọc sẽ chiếm ưu thế khi đồ thị giữa t/V và V

là một đường thăng Thêm vào đó, lúc mối quan hệ giữa In(t) và V là một đường thăng

thì cơ chế che kín một phan lại là cơ chế chủ dao

2.2.5 Ung dung kỹ thuật siêu loc vào quá trình phân riêng protein ho dauNăm 1970, Porter va Michaels là những người đầu tiên đã dé xuất thu nhậnprotein đậu nành dùng màng siêu lọc [56] Đến năm 1975, Okubo và cộng sự đã nghiêncứu sản xuất protein isolate từ đậu nành sử dụng kết hợp siêu lọc và quá trình b6 sungnước liên tục [57] Sau đó, Lawhon va cộng sự (1978) đã dé nghi su dung siéu loc kéthop quá trình b6 sung nước không liên tục dé thu nhận protein đậu nành isolate [58].Quá trình kết hợp siêu lọc và bồ sung nước có thể loại bỏ oligosaccharide một cachhiệu quả [57] [58] [59] Ngoài ra, khi tiễn hành phân riêng băng màng siêu lọc 100 kDavới dịch chiết đậu nành pH từ 8 — 9, tỉ lệ khoáng bị loại bỏ là 35 % ở hệ số cô đặc là2,5 và xap xi 50% tại hệ số cô đặc là 4,5 — 5,0 Tuy vậy, trong khoảng pH khảo sát thìlượng phosphorus chủ yếu dưới dạng acid phytic sẽ tạo thành phức tam phân nên khócó thé đi qua mang Do đó, trong những năm gan đây, biện pháp điện thâm tích dé điềuchỉnh pH dịch từ 9 về 6 kết hop với siêu lọc và b6 sung nước với mang polysulfone

100 kDa được sử dụng để sản xuất protein đậu nành isolate ít acid phytic [60] Két qua

cho thay mặc dù hiện tượng tắc nghẽn màng dé xảy ra hon, thông lượng dòng qua locthấp, nhưng dòng chưa đi qua màng có hàm lượng protein cao, ít khoáng, ít acid phyticvà 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 vớiphương pháp kết tủa đăng điện truyền thống là 25%

19

Martin Mondor và cộng sự (2009) đã tiến hành thu nhận protein concentrate từhai loại đậu garbanzo là Desi va Kabuli bang ky thuat kết tủa đăng điện và kỹ thuậtsiêu lọc ở các chế độ khác nhau [44] Hàm lượng protein thu được trong sản phẩmđược thu nhận băng kỹ thuật màng thì cao hơn so với phương pháp kết tủa đăng điện.Bên cạnh đó, chất ức chế trypsin trong mẫu kết tủa đăng điện cũng cao hơn Ngoài ra,hàm lượng phosphorus tong của mẫu sử dụng phương pháp siêu lọc kết hợp bổ sungnước thì thấp hơn so với mẫu kết tủa đăng 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 băng kỹ thuật siêu lọc và bồ sungnước có hàm lượng protein cao hơn đôi chút so với khi sử dụng phương pháp kết tủađăng điện; hon nữa, các tính chất công nghệ của sản phẩm có sử dụng phương phápsiêu lọc như độ hòa tan cao hơn, nông độ tao gel thấp hơn, kha năng giữ béo cũng tốthơn so với mẫu kết tủa đăng điện [43]

Tuy nhiên, trên đói tượng đậu phộng, việc sử dụng kỹ thuật siêu lọc để phânriéng protein rat it duoc nghiên cứu Theo tài liệu ma chúng tôi có được thì chi có mộtcông bố khoa học về van dé này Lawhon và cộng sự (1981) đã tiến hành trích lyprotein đậu phộng bằng kiềm (pH 8) từ nguyên liệu là hạt đậu có béo và đậu phộng ít

béo với tỉ lệ nudc/nguyén liệu là 20:1 Dịch trích protein thô được đem đi phân riêng

thu nhận protein bằng mang polyvinylidene fluoride 50 kDa [63] Kế đến, dòng chưaqua màng sẽ được say phun dé thu nhận chế phẩm protein Kết quả thu được cho thaychế 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 hoa, chỉ phí năng lượng thấp, kỹthuật 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 ứngdụng kỹ thuật siêu lọc trên đối đậu phộng là rất ít Vì vậy, cần có những nghiên cứu sâuhơn về ảnh hưởng của kích thước mao quản, pH nguyên liệu hay áp suất vận hành lên

quá trình phân riêng protein đậu phộng, cũng như là tìm các giải pháp nâng cao chấtlượng chế phẩm protein thu được.

21

Chương 3 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Nguyên liệu

3.1.1 Nguyên liệu chính

Nguyên liệu trong nghiên cứu này là dịch trích đậu phộng được chuẩn bị từgiống đậu phộng Arachis hypogaea VDI do Viện nghiên cứu phát triển dâu và cây có

dau cung cap.

3.1.1.1 Chuẩn bị bột đậu phông tách béoĐậu phộng mua về được tách vỏ quả băng phương pháp thủ công, tách vỏ lụabăng dung dịch NaOH 0,5% Sau đó, hạt đậu phộng được sây ở nhiệt độ 50 — 55 °Ctrong 6 giờ đến độ âm 13 — 14% Kế đến, hạt đậu được xay nhỏ để tạo điều kiện thuậnlợi cho quá trình trích ly Bột đậu phộng được trích ly béo bằng dung môi petroleumether 30 — 60 ở nhiệt độ 55 °C trong 24 giờ Quá trình được lặp lại khoảng 5 — 6 lần.Tiếp theo, bột đậu phông được làm ráo va ray qua lỗ rây 0,355 mm dé đạt chuẩn kíchthước Ta thu được bột đậu phộng tách béo, bao gói, bảo quản trong tủ đông đến khi sửdụng 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 âm

3.1.1.2 Chuẩn bi dich trích đâu phông

Bột đậu phộng tách béo được phối trộn với nước theo tỷ lệ 1:20, chỉnh pH 9

băng dung dịch NaOH 2M, khuấy trộn trong 60 phút, ở nhiệt độ thường Sau đó, hỗnhợp được ly tâm thu nhận các chất hòa tan trong phần dịch Dung dịch thu được đượcbao quan ở 4°C 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.

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 riêngThiết bị membrane được sử dụng trong thí nghiệm này là thiết bị SterlitechHP4750 Stirred Cell (Hình 3.1) do hãng Sterlitech — Mỹ cung cấp

Thông số Yêu câu

Kích thước membrane Đường kính 49 mm

Diện tích bề mặt hoạt động 146 cm?Thể tích tối đa 300 mLÁp suất lớn nhất 69 barNhiệt độ tôi đa 121 °C ở 55 bar

Khoảng pH Tùy thuộc màng sử dụng

23

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

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

Thông số vận hành

Ký hiệu MWCO (Dalton)

Hoat dong Vé sinh

pHGR51PP 50.000 1-13 1-13

Ap suat bar (psi)

I—10(15- 145) 1-5 (15-73)GR60PP 25.000 Nhiệt độ °C (F)

0—275 (32 — 167) 0 —75 (32 — 167)

Nguyên tắc hoạt động: Theo mô hình dead end, dung dich cần phân riêng đượccho vào thiết bị, dưới tác dụng của áp suất được tạo ra từ khí nén, các cau tử nhỏ sẽchui qua màng, còn các đại phân tử được giữ lại trên vùng bề mặt của màng Trong quátrình 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 tac nghẽnmàng Dòng đi qua mang sẽ được ghi nhận thể tích bang ống đong và thời gian tương

ứng.3.2 Phương pháp nghiên cứu

3.2.1 Muc tiêu nghién cứu

Đánh giá khả năng sử dụng quá trình siêu lọc để tinh sạch protein đậu phộng

trong dịch trích thô từ bột đậu phong đã tách béo.

3.2.2 Nói dung nghiên cứu

3.2.2.1 Anh hưởng của kích thước mao quản màng đến độ phân riêng

protein, phytate, carbohydrate và thôno hương dong qua mang= Mục dich:

Khao sát anh hưởng của kích thước mao quản màng siêu lọc đến quá trình phân

riêng dịch protein đậu phông, từ đó, lựa chon màng siêu lọc có kích thước mao quanphù hợp.

= Cach thực hiện:

Tiến hành thay đối lần lượt hai loại màng có kích thước mao quản khác nhau làDSS — GR51PP (50 kDa) và DSS — GR60PP (25 kDa), đồng thời cố định áp suất vậnhành 6 bar, nhiệt độ vận hành là 28+2°C, tốc độ khuấy từ 1000 vòng/phút 200 mLdung dich nhập liệu có pH 9 sẽ được cho vào thiết bị phân riêng, sau khi đã điều chỉnhcác thông số 6n định được 30 phút, ta tiến hành lay mẫu và đo thời gian

= Đánh gid thông qua các kết quả:

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

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

3.2.2.2 Ảnh hưởng cua pH dong nhập liệu đến độ phân riéng protein,

phytate, carbohydrate và thông lượng dong qua mang= Mục dich:

Khao sát ảnh hưởng của pH dòng nhập liệu đến quá trình phân riêng dich

protein đậu phộng, từ đó, lựa chọn pH dòng nhập liệu phù hợp.

= Cach thực hiện:

Dùng HCI 2N hoặc NaOH 2N để điều chỉnh pH của 200 mL dung dịch nhậpliệu về các giá tri 5,6, 7, S, 9 Sau Ï giờ bảo quan ở 4 °C, các mẫu sẽ được đưa vàothiết bị phân riêng, với màng có kích thước mao quản phù hợp được chọn từ thí nghiệmở mục 3.1.2.1, áp suất vận hành 6 bar, nhiệt độ vận hành là 28+2°C, tốc độ khuấy từ

25

1000 vòng/phút Sau 30 phút kế từ khi thiết bị hoạt động ồn định, tiễn hành lay mẫu và

đo thời gian.

= Đánh gid thông qua các kết quả:

- 6 phân riêng protein, độ phân riêng carbohydrate và độ phân riêng phytate,khả năng tach phytate/protein, khả năng tách carbohydrate/protein.

- Thong 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 dong qua mang= Mục dich:

Khao sát ảnh hưởng của áp suất van hành đến quá trình phân riêng dich proteinđậu phộng, từ đó, lựa chọn áp suất vận hành phù hợp

= Cach thực hiện:

Dung dịch nhập liệu được điều chỉnh đến giá trị phù hợp được chọn ra từ thínghiệm ở mục 3.1.2.2 và bảo quản trong 1 giờ Kế đó, ta tiến hành thay đổi áp suất vậnhành trong khoảng 2, 4, 6, 8, 10 bar, đồng thời có định các thông số kích thước maoquản được lựa chọn từ thí nghiệm mục 3.1.2.1, nhiệt độ vận hành là 28+2”C, tốc độkhuấy từ 1000 vòng/phút Sau 30 phút kế từ lúc thiết bị vận hành 6n định, tiễn hành laymẫu và đo thời gian

= Đánh gid thông qua các kết quả:

- 6 phân riêng protein, độ phân riêng carbohydrate và độ phân riêng phytate,khả năng tach phytate/protein, khả năng tách carbohydrate/protein.

- Thong lượng dong qua lọc, trở lực trong quá trình phân riêng.

3.2.2.4 Ảnh hưởng cua hệ số cô đặc đến hiệu suất thu hôi protein, ti lệ

tach phytate, carbohydrate va thong luong dong qua mang= Mục dich:

Khao sát anh hưởng của hệ số cô đặc đến quá trình phân riêng dich protein đậu

phông, từ đó đề xuất hệ số cô đặc phù hợp nhất, đồng thời xác định được cơ chế tắc

nghẽn chủ yếu tác động, từ đó đề xuất các biện pháp hạn chế tac nghẽn và vệ sinh

màng phù hợp.

= Cach thực hiện:

Cố định các thông số về kích thước kích thước mao, pH nhập liệu, áp suất vận

hành đã được chọn từ các thí nghiệm ở mục 3.1.2.1, 3.1.2.2, 3.1.2.3, nhiệt độ vận hành

là 28+2°C, tốc độ khuấy từ 1000 vòng/phút, tiễn hành ghi nhận thời gian và thé tích

dòng qua màng.

= Đánh gid thông qua các kết quả:- _ Hiệu suất thu hồi protein, ti lệ loại bỏ carbohydrate, ti lệ loại bỏ phytate theo

hệ số cô đặc.- _ Xây dựng các đồ thị t/V theo t, t/V theo V và Int theo V, từ đó xác định co

chế gây tac nghẽn màng.3.2.2.5 Ảnh hưởng cua giai pháp bồ sung nước vào dong không qua mangtrong quá trình siêu loc đến hiệu suất thu hôi protein, ti lệ loại bo phytate,

carbohydrate va thong luong dong qua mang= Mục dich:

Khao sát ảnh hưởng của giải pháp bố sung nước vào dòng không qua màng đếnquá trình phân riêng dich protein đậu phộng, từ đó đề xuất một chế độ b6 sung phù

hợp.

= Cach thực hiện:

Cố định các thông số về kích thước kích thước mao, pH nhập liệu, áp suất vận

hành đã được chọn từ các thí nghiệm ở mục 3.1.2.1, 3.1.2.2, 3.1.2.3, nhiệt độ vận hành

là 28+2°C, tốc độ khuấy từ 1000 vòng/phút 200 mL dịch protein đậu phộng được côđặc đến hệ số cô đặc 2,5 Kế đến, bố sung nước (đã điều chỉnh pH 5) vào dòng khôngqua màng về đúng thé tích ban đầu của dòng nhập liệu và tiếp tục cô đặc về hệ số côđặc 2,5 Quá trình bổ sung nước được lặp lại theo quy trình trên, với số lần lặp lại là 4

= Đánh gid thông qua các kết quả:

27