Nghiên cứu phương pháp sản xuất và tính năng của FPI (fish protein isolate) từ phụ phẩm cá tra

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CAO XUÂN THỦY NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT VÀ TÍNH NĂNG CỦA FPI (FISH PROTEIN ISOLATE) TỪ PHỤ PHẨM CÁ TRA LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CAO XUÂN THỦY NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT VÀ TÍNH NĂNG CỦA FPI (FISH PROTEIN ISOLATE)TỪ PHỤ PHẨM CÁ TRA Chuyên ngành: Chế biến thực phẩm đồ uống Mã số chuyên ngành: 62540201 Phản biện độc lập 1: GS.TS Trần Thị Luyến Phản biện độc lập 2: PGS.TS Nguyễn Thị Xuân Sâm Phản biện 1: GS.TS Lê Văn Việt Mẫn Phản biện 2: PGS.TS Ngô Đại Nghiệp Phản biện 3: PGS.TS Phạm Văn Hùng NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Trần Bích Lam GS.TS Hà Thanh Tồn LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan công trình nghiên cứu của thân tác giả Các kết nghiên cứu các kết luận luận án trung thực, không chép từ bất nguồn dưới bất kỳ hình thức Việc tham khảo các nguồn tài liệu được thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu Tác giả luận án Cao Xuân Thủy i TÓM TẮT Với mục tiêu khai thác tính cơng nghệ giá trị sinh học của protein cá Tra (Pangasius hypophthalmus), luận án “Nghiên cứu phương pháp sản xuất tính FPI (Fish Protein Isolate) từ phụ phẩm cá Tra” khảo sát quá trình thủy phân phụ phẩm cá Tra enzyme alcalase 2.4L dưới các điều kiện thủy phân được kiểm soát chặt chẽ; nghiên cứu tính cơng nghệ, hoạt tính sinh học của FPI ứng dụng công nghệ lọc màng để thu nhận FPI có tính tạo nhũ, tạo bọt, cố định canxi Luận án đạt được số kết sau: (1) Về mặt lý thuyết  Nghiên cứu thành cơng quá trình thuỷ phân, xác định được quy luật ảnh hưởng của các thơng số kỹ thuật quá trình thủy phân phụ phẩm cá Tra; xác định mối liên hệ thời gian thủy phân với mức độ thủy phân (DH) tính tạo nhũ, tạo bọt, cố định canxi của FPI  Xây dựng được phương trình hồi quy thực nghiệm mô tả ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố pH (X1), tỷ lệ enzyme (X2), nhiệt độ (X3) thời gian (X4) đến quá trình thuỷ phân, tối ưu hóa các điều kiện thủy phân với từng hàm mục tiêu khả tạo bọt, tạo nhũ, cố định canxi YBọt = 93,39 + 0,33X1 + 1,06X2 + 0,99X4 – 0,51X12 – 1,74 X22 – 0,36X42 + 0,41X1X3 + 0,57X1X4 + 1,08X2X3 – 1,02X3X4 YNhũ = 29,93 + 0,41X1 + 1,05X2 + 1,16X4 – 1,17X12 – 1,07 X22+ 1,27X32 –1,13X42 + 0,41X1X3 + 0,57X1X4 + 1,08X2X3 – 1,02X3X4 YCa = 30,36 + 1,19X2 + 0,76X4 – 0,55X12 – 1,02 X22 – 0,54 X42 + 0,42X1X3 + 0,45X1X4 + 1,27X2X3 – 0,42X2X4 – 1,05X3X4  Xác định được mối tương quan kích thước phân tử của FPI phụ phẩm cá tra với tính ứng dụng của Nhóm protein FPI có khả tạo nhũ tốt có phân tử lượng từ đến 10kDa Nhóm protein có khả tạo bọt tốt có phân tử lượng từ đến 7kDa Riêng hoạt tính cố định canxi của FPI được xác định các protein có kích thước nhỏ (nhỏ kDa) FPI cá tra có hoạt tính cố định canxi rất tốt, khả cố định canxi thực tế của FPI đạt 38,36mg Ca2+/g FPI, có 94% liên kết Ca+2 với FPI tạo được cấu trúc EF-hand ii (2)Về mặt thực tiễn  Xây dựng được quy trình cơng nghệ thu nhận các sản phẩm FPI có giá trị cao từ phụ phẩm chế biến cá Tra gồm phương pháp thủy phân giới hạn phương pháp lọc màng phân riêng các nhóm phân tử  Đã sử dụng thành cơng quá trình lọc nano với loại màng GE-5-DL, kDa SRM 347, 10 kDa; xác định các điều kiện tối ưu để phân riêng thu nhận các FPI có khả tạo nhũ, tạo bọt, cố định canxi cao nhất Hiệu suất thu hồi protein sau lọc màng cao nhất màng GE-5-DL (màng kDa) 76,06% điều kiện vận hành: nhiệt độ 450C, lưu lượng 34 L/h, áp suất 25 bar Hiệu suất thu hồi protein sau lọc màng cao nhất màng SRM 347 (màng 10 kDa) sử dụng để thu hồi FPI có tính tạo bọt 64,02% điều kiện vận hành: nhiệt độ 350C, lưu lượng 39 L/h, áp suất: 22 bar Khi sử dụng màng SRM 347 để thu hồi FPI có tính tạo nhũ, hiệu suất thu hồi protein cao nhất đạt 65,31% điều kiện vận hành: nhiệt độ 400C, lưu lượng 44 L/h, áp suất: 22 bar  Khả tạo bọt của FPI từ phụ phẩm chế biến cá Tra tối đa đạt 112,18%, tương đương với khả tạo bọt của WPI cao SPI Khả tạo nhũ của FPI tối đa đạt 39,88%, cao khả tạo nhũ của SPI WPI Đặc biệt khả cố định canxi của FPI rất cao Các khám phá mở nhiều hướng ứng dụng mới của FPI cá tra công nghiệp thực phẩm Những kết bước đầu tạo tiền đề cho việc triển khai công nghệ, ứng dụng vào thực tế, đồng thời nguồn tham khảo tin cậy cho nghiên cứu lĩnh vực iii ABSTRACT As targets of striving towards the technological and the biological values of fish protein; the thesis "Research of features and production technology of FPI (Fish Protein Isolate) from byproducts of Pangasius hypophthalmus" has conducted research on hydrolysis of Pangasius hypophthalmus byproducts by enzymes alcalasa 2.4L under the strictly controlled hydrolysis conditions To research on technology features, biological activities Apart from that, membrane technology has been applied for collecting FPI with the emulsifying, foaming, calcium-binding espectively features The thesis has reached some key results as follows: (1) The theoretical results  Researching successfully the hydrolysis process, identify rules affected by technical parameters during hydrolysis of Pangasius hypophthalmus byproduct; determining the relationship between the degree of hydrolysis (DH) and emulsifying, foaming, calcium binding abilities of FPI  Conducting the optimization, building the empirical regression equation describing the simultaneous influences of pH factor (X1), the E/S ratio (X2), temperature (X3) and time (X4) to the hydrolysis; optimization the hydrolysis conditions for each objective function of foaming, emulsifying, calcium binding: Yfoaming = 93,39 + 0,33X1 + 1,06X2 + 0,99X4 – 0,51X12 – 1,74 X22 – 0,36X42 + 0,41X1X3 + 0,57X1X4 + 1,08X2X3 – 1,02X3X4 Yemulsifying = 29,93 + 0,41X1 + 1,05X2 + 1,16X4 – 1,17X12 – 1,07 X22+ 1,27X32 – 1,13X42 + 0,41X1X3 + 0,57X1X4 + 1,08X2X3 – 1,02X3X4 Ycalcium binding = 30,36 + 1,19X2 + 0,76X4 – 0,55X12 – 1,02 X22 – 0,54 X42 + 0,42X1X3 + 0,45X1X4 + 1,27X2X3 – 0,42X2X4 – 1,05X3X4  Determining the correlation between molecular weight cut-off (MWCO) of protein in FPI with the features of its application The group of proteins with MWCO from to 10 kDa has good emulsifying ability The one with MWCO from to kDa has good foaming ability Particularly, the calcium binding capacity of FPI has been determined by the relatively small proteins (less than kDa) The maximum calcium binding of FPI from Pangasius hypophthalmus is high, reaching 38,36 mg Ca2+/g FPI, iv which has over 94% of the links between Ca+ with FPI by creating structured EF-hand (2) Experimental results • To develop a technological process for producing of high quality FPI from Pangasius hypophthalmus byproducts, including limited hydrolysis process and membrane application for separating protein clusters with different mocular weight • To use successfully the kDa GE-5-DL and 10 kDa SRM 347 membranes Thereby, determining the optimum conditions of the membranes filtration process for acquiring FPI with the emulsifying, foaming, calcium binding abilities The highest proteins yield of membrane GE-5-DL membrane (5 kDa membrane) is 76.06%; in operating conditions: temperature of 450C, flow 34 L/h, pressure: 25 bar The one of SRM 347 (10 kDa membrane) for colleting FPI with foaming ability is 64.02%; in operating conditions: temperature of 350C, flow 39 L/h, pressure: 22 bar The highest proteins yield of SRM 347 membrane with emulsifying ability is 65.31% in the operating conditions: temperature 400C, flow 44 L/h, pressure: 22 bar • The maximum foaming ability of FPI from Pangasius hypophthalmus byproducts reached 112.18%, equivalent to the foaming capability of WPI and higher than the one of SPI Maximum emulsifying ability of FPI reaches 39.88%, higher than the ones of SPI and WPI Especially the calcium binding ability of FPI is very high The discovery opens up many new application directions of FPI fish in food industry The above initial results, on the premise, have been contributed to the application for food production, and considered as a reliable reference source for further studies in the same field v LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực luận án, nhận được hướng dẫn tận tình, động viên đúng lúc của TS Trần Bích Lam Từ đáy lịng mình, tình cảm chân thành nhất với kính trọng sâu sắc, tơi muốn bày tỏ lời biết ơn của đến Cơ Cảm ơn Cô cho em nhiều suy nghĩ phấn đấu không ngừng để trở thành nhà khoa học chân Cảm ơn Cơ trang bị thêm cho em cách tiếp cận với các phương pháp luận khoa học để em tự tin đường phía trước Xin cảm ơn GS.TS Hà Thanh Tồn giúp đỡ, góp nhiều ý kiến cho luận án kể từ ngày xây dựng đề cương nghiên cứu đến Lúc đây, xin được nói lời cảm ơn cha; kính cẩn chắp tay thâm tâm hướng vong linh của mẹ Muôn vàn lời cảm ơn khơng thể nói hết được tình thương của cha mẹ với Con cảm ơn cha mẹ cho hình hài này, cảm ơn cha mẹ ln ln bên kể hồn cảnh khó khăn nhất để thêm vững bước sống Nhân dịp này, với tư cách người chồng, người cha, muốn gửi thật nhiều lời cảm ơn sâu sắc, tình cảm u thương vơ bờ của tơi đến gia đình nhỏ bé, nơi có vợ hai trai u q - Huy Hồng, Minh Trí Tổ ấm ấy điểm tựa tinh thần vững cho suốt thời gian nghiên cứu đầy gian nan vừa qua Cảm ơn vợ các mang lại lượng niềm vui để bố được yên tâm nghiệp phấn đấu Xin bày tỏ niềm tri ân giúp đỡ, tạo điều kiện của Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Tp Hồ Chí Minh, động viên tinh thần của các đồng nghiệp, bạn bè Tôi xin cảm ơn khoa Kỹ thuật Hóa học - Trường Đại học Bách khoa; thầy, cô công tác khoa Công nghệ Thực phẩm; các cán bộ, viên chức phịng Cơng tác trị - Học sinh sinh viên, Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Tp Hồ Chí Minh giúp đỡ chia sẻ vui - buồn với thời gian vừa qua Cao Xuân Thủy vi MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN TÓM TẮT ABSTRACT LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN i ii iv vi vii ix xii xiv xv 1.1 Cá Tra phụ phẩm chế biến cá Tra 1.2 Các chế phẩm protein thủy sản 1.3 Các enzyme sử dụng thủy phân protein cá 1.4 Sử dụng kỹ thuật membrane sản xuất FPI BP 11 1.5 Tính chất công nghệ của các chế phẩm protein 15 1.6 Hoạt tính sinh học của các chế phẩm protein 19 1.7 Những vấn đề tồn nghiên cứu thu nhận tính của FPI 25 1.8 Hướng nghiên cứu nội dung nghiên cứu của luận án 28 CHƯƠNG NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30 2.1 Nguyên liệu 30 2.2 Hóa chất 32 2.3 Màng lọc nano 32 2.4 Thiết bị 34 2.5 Phương pháp nghiên cứu 35 2.6 Phương pháp phân tích xử lý số liệu 40 2.7 Sơ đồ nghiên cứu tổng quát 41 2.8 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 42 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 54 3.1 Nghiên cứu quá trình thuỷ phân phụ phẩm cá Tra 54 3.2 Nghiên cứu tính cơng nghệ của FPI từ phụ phẩm cá Tra 65 3.2.1 Mối quan hệ thời gian thủy phân với mức độ thuỷ phân (DH) khả tạo bọt, tạo nhũ của FPI vii 66 3.2.2 Nghiên cứu điều kiện tối ưu thu nhận FPI có tính tạo bọt 70 3.2.3 Nghiên cứu điều kiện tối ưu thu nhận FPI có tính tạo nhũ 77 3.2.4 So sánh khả tạo bọt, tạo nhũ của FPI với các chế phẩm protein 83 thương mại (SPI WPI) 3.3 Nghiên cứu hoạt tính cố định canxi của FPI từ phụ phẩm cá Tra 3.3.1 Mối quan hệ thời gian thủy phân với mức độ thuỷ phân (DH) 88 89 hoạt tính cố định/liên kết canxi của FPI 3.3.2 Nghiên cứu hoạt tính cố định canxi của đạm cá phân lập 3.4 Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật lọc membrane để phân riêng các nhóm phân tử 91 100 protein FPI 3.4.1 Lựa chọn loại membrane 101 3.4.2 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến phân riêng các nhóm protein 103 mục tiêu FPI kỹ thuật lọc màng 3.4.3 Lựa chọn các thông số công nghệ thích hợp cho quá trình lọc màng để 118 thu nhận các nhóm protein FPI có tính ứng dụng khác 3.5 Kiểm tra thành phần hóa học tính cơng nghệ của FPI sau quá trình lọc 125 membrane 3.5.1 Kiểm tra thành phần hóa học của FPI 126 3.5.2 Kiểm tra khả tạo bọt 128 3.5.3 Kiểm tra khả tạo nhũ 132 3.6 Kiểm tra hoạt tính cố định canxi của FPI sau quá trình lọc màng 135 3.7 Đề xuất phương pháp sản x́t các chế phẩm FPI có tính cơng nghệ, hoạt 141 tính sinh học từ phụ phẩm cá Tra 3.7.1 Sơ đồ quy trình 141 3.7.2 Thuyết minh quy trình 142 CHƯƠNG KẾT LUẬN, ĐỀ XUẤT 146 4.1 Kết luận 146 4.2 Đề xuất 146 CÁC TÀI LIỆU CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 148 viii 150 Phụ lục 11 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH HPLC-MS THÀNH PHẦN PROTEIN CỦA FPI CĨ KHẢ NĂNG TẠO NHŨ, TẠO BỌT, CỐ ĐỊNH CANXI CAO NHẤT (TRƯỚC KHI LỌC MÀNG) 27 28 29 Phụ lục 12 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH HPLC-MS THÀNH PHẦN PROTEIN CỦA FPI CÓ KHẢ NĂNG TẠO NHŨ, TẠO BỌT, CỐ ĐỊNH CANXI CAO NHẤT (SAU KHI LỌC MÀNG) 30 31 32 Phụ lục 13 KẾT QUẢ KIỂM ĐỊNH LIÊN KẾT GIỮA CA+2 VỚI PROTEIN TRONG FPI TRƯỚC VÀ SAU KHI LỌC MÀNG 33 34 Phụ lục 14 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA FPI TRƯỚC VÀ SAU KHI LỌC MÀNG 35 36 37 Phụ lục 15 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN MỘT SỐ NGUN TỐ KHỐNG CỦA FPI TRƯỚC VÀ SAU KHI LỌC MÀNG 38 39 40 41 ... TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CAO XUÂN THỦY NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT VÀ TÍNH NĂNG CỦA FPI (FISH PROTEIN ISOLATE)TỪ PHỤ PHẨM CÁ TRA Chuyên ngành: Chế biến thực phẩm đồ uống Mã số chuyên ngành: 62540201... khai thác tính cơng nghệ giá trị sinh học của protein cá Tra (Pangasius hypophthalmus), luận án ? ?Nghiên cứu phương pháp sản xuất tính FPI (Fish Protein Isolate) từ phụ phẩm cá Tra? ?? khảo sát... tình hình sử dụng phụ phẩm chế biến cá Tra cho thấy: sản lượng cá Tra Việt Nam ngày tăng, số lượng phụ phẩm cá Tra khoảng từ 0,65 đến 0,69 triệu Thành phần hoá học phụ phẩm cá Tra có hàm lượng