Hiện nay, kỹ thuật sóng siêu âm được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực thực phẩm, được xem như là một quá trình tiền xử lý nguyên liệu để trích ly các hợp chất có hoạt tính sinh học, dầu, protein từ nguyên liệu thực vật và động vật. Kỹ thuật sử dụng sóng siêu âm có ưu điểm là làm tăng hiệu suất, giảm thời gian trích ly và giảm lượng dung môi sử dụng so với các phương pháp trích ly truyền thống. Do đó, kỹ thuật sóng siêu âm được các nhà công nghệ đánh giá là một lựa chọn thay thế có giá trị về mặt kinh tế so với kỹ thuật trích ly truyền thống [24].
2.2.1 Khái niệm về sóng siêu âm
Siêu âm là sóng cơ học hình thành do sự lan truyền dao động của các phần tử trong không gian có tần số lớn hơn giới hạn trên ngưỡng nghe của con người (16 -20kHz).
Ngoài ra, trong trường siêu âm, các phần tử dao động theo phương cùng với phương truyền của sóng.
Sóng siêu âm hiện đang được nghiên cứu và ứng dụng trong hai lĩnh vực chính:
- Siêu âm tần số thấp và năng lượng cao (16 – 100 kHz): có thể làm thay đổi tính chất vật lý, hóa học của mẫu. Kỹ thuật này thường được ứng dụng rộng rãi để hỗ trợ quá trính trích ly, kết tinh, lọc, bài khí, đồng hóa, tiệt trùng… [25]
- Siêu âm tần số cao và năng lượng thấp (100kHz-1 MHz) được xem như kỹ thuật phân tích cấu trúc mẫu, thường được ứng dụng trong kiểm tra cấu trúc thực phẩm, đo tốc độ dòng chảy [25].
Ngoài ra còn có nhóm siêu âm chẩn đoán (tần số 1 -10MHz): Sóng siêu âm trong khoảng tần số này được dùng để chuẩn đoán hình ảnh trong y học, phân tích hóa học [26]. Chẳng hạn như, trong điều trị ung thư thì sóng siêu âm được sử dụng với công suất 10 W/cm2, thay đổi cấu trúc trong mô tế bào thì sử dụng công suất 103W/cm2 [27].
2.2.2 Cơ chế tác động của sóng siêu âm - Hiện tượng xâm thực khí
Trong môi trường chất lỏng ở điều kiện thường, các phân tử chất lỏng liên kết lỏng lẻo với nhau nhờ vào các liên kết hóa học. Khi sóng siêu âm truyền vào môi trường chất lỏng thì các phân tử trong trường siêu âm sẽ chịu tác động của các chu trình kéo và nén được hình thành liên tiếp, đồng thời có sự thay đổi áp lực trong các khu vực chất lỏng dẫn đến hiện tượng xâm thực khí [28].
Trong pha nén, bong bóng khí co lại. Trong pha kéo, khi năng lượng đủ lớn thì tương tác giữa các phân tử sẽ lớn hơn lực liên kết tại điểm đó, hình thành nên các bọt khí nhỏ. Khí bên ngoài khuếch tán vào bong bóng khí, diện tích bề mặt bọt khí lớn hơn, nên sự khuếch tán không khí lớn hơn trong pha nén, do đó kích cỡ các bong bóng khí cũng tăng lên trong mỗi pha kéo. Trong suốt quá trình kéo và nén như vậy, các bong bóng khí kéo giãn và kết hợp lại. Sự dao động của thành bong bóng khí tương ứng với một khoảng giá trị tần số sử dụng của sóng siêu âm. Các bong bóng khí lớn dần lên đến một kích thước tới hạn mà tại tần số đó năng lượng của sóng siêu âm không đủ để duy trì pha khí, làm cho các bong bóng khí vỡ ra gây nên hiện tượng sủi bọt khí [25]. Đồng thời khi bong bóng vỡ sẽ tạo thành vi tia (microjets) hướng đến bề mặt nguyên liệu. Và dưới tác động
này của sóng siêu âm, thành tế bào của nguyên liệu sẽ bị phá vỡ nhanh chóng [28]. Từ đó làm tăng hiệu suất trích ly các chất hòa tan trong nguyên liệu.
Quá trình nén, kéo của các phân tử trong môi trường lỏng và hiện tượng hình thành, lớn lên và vỡ ra của bong bóng khí được mô tả ở trên chính là hiện tượng xâm thực khí dưới tác dụng của sóng siêu âm trong môi trường chất lỏng [25].
- Hiện tượng vi xoáy
Khi hiện tượng xâm thực khí xảy ra, các phân tử va chạm mãnh liệt với nhau hình thành những điểm có nhiệt độ và áp suất cao (50000C và 5x104 kPa). Từ đó làm tăng khả năng truyền nhiệt và truyền khối, thúc đẩy các phản ứng hóa học. Tại bề mặt tiếp xúc giữa hai pha, sóng siêu âm hình thành những vi xoáy, gây nên sự hỗn loạn mạnh mẽ, làm giảm ranh giới giữa các pha, giúp tăng cường sự truyền nhiệt và truyền khối, thúc đẩy sự khuếch tán [25].
Bên cạnh ưu điểm của việc sử dụng kỹ thuật sóng siêu âm trong quá trình trích ly là tăng đáng kể hiệu suất trích ly, rút ngắn thời gian trích ly, giảm lượng dung môi sử dụng thì nhược điểm của kỹ thuật này là làm tăng đáng kể nhiệt độ của khối nguyên liệu. Do đó khi trích ly các hợp chất mẫn cảm với nhiệt độ thì cần có biện pháp ổn định nhiệt độ [29].
2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả trích ly nguyên liệu có hỗ trợ sóng siêu âm - Công suất siêu âm
Khi tăng công suất siêu âm sẽ làm tăng mức năng lượng được truyền vào môi trường [30]. Do đó, khi tăng công suất siêu âm thì hiệu suất trích ly sẽ tăng. Tuy nhiên, hiệu suất trích ly chỉ tăng tỷ lệ thuận với công suất siêu âm trong một khoảng giá trị nhất định do năng lượng trong môi trường truyền sóng sau khi chuyển thành nhiều dạng thì dạng cuối cùng là nhiệt năng [30].
- Thời gian xử lý siêu âm
Thời gian siêu âm càng dài thì các biến đổi của nguyên liệu do sóng siêu âm tác động càng sâu sắc. Tuy nhiên theo Vinatoru và cộng sự (1997) thì thời gian trích ly là khác nhau tùy theo loại nguyên liệu, công suất siêu âm, loại và lượng dung môi sử dụng [31]. Đối với hạt tía tô (Perilla Seed), Jianfei Zhu (2012) đã công bố thời gian xử lý siêu âm tối ưu để trích ly protein là 12 phút với điều kiện nhiệt độ 400C và công suất siêu âm 60W/g [7].
- Nhiệt độ
Nhiệt độ ảnh hưởng đến môi trường truyền sóng, do đó ảnh hưởng đến quá trình truyền năng lượng của sóng siêu âm, từ đó ảnh hưởng đến hiệu quả trích ly [30]. Khi nhiệt độ tăng sẽ làm cải thiện quá trình trích ly do các phân tử chuyển động nhanh ở nhiệt độ cao, từ đó giúp tăng tốc độ truyền khối. Tuy nhiên, đối với protein khi nhiệt độ tăng quá cao sẽ gây biến tính, và ảnh hưởng đến hiệu suất trích ly protein cũng như tính chất chức năng của chế phẩm protein. Theo Kain (2009), khi nhiệt độ tăng quá 40oC, hiệu suất trích ly protein trong đậu nành sẽ giảm xuống [32]. Do đó, khi sử dụng kỹ thuật sóng siêu âm hỗ trợ quá trình trích ly, cần xác định khoảng nhiệt độ phù hợp với từng đối tượng protein khác nhau nhằm hạn chế hiện tượng biến tính làm giảm hiệu suất trích ly protein.
- Tỉ lệ dung môi và nguyên liệu
Dung môi sử dụng trong quá trình trích ly tùy thuộc vào độ phân cực của chất cần trích ly, độ phân cực của thành phần không mong muốn, mục đích trích ly, độ an toàn.
Để trích ly protein, dung môi thường sử dụng là nước, dung dịch nước muối, dung dịch kiềm và cồn. Khi tăng tỷ lệ dung môi so với nguyên liệu thì lượng dịch trích sẽ tăng lên [33]. Sử dụng một lượng dung môi thấp thì hiệu suất trích ly thấp [34]. Tuy nhiên, khi tăng tỷ lệ dung môi và nguyên liệu quá cao, lượng chất chiết phần lớn đã được hòa tan
vào trong dung môi nên hiệu suất trích ly không tăng thêm nữa, dẫn đến việc khó thu hồi protein, lãng phí dung môi, thời gian và năng lượng. Theo Aguilera (1989), khi tỉ lệ nguyên liệu/dung môi trong khoảng 1/5 – 1/10 thì hiệu quả trích ly tốt. Theo tác giả Mei Wang (2011), tỉ lệ nguyên liệu/dung môi tối ưu là 1/10 trong quá trình trích ly protein từ đậu xanh [35].
2.2.4 Ứng dụng của sóng siêu âm trong quá trình trích ly protein
- Theo nghiên cứu của Chittapalo và Noomhorm (2009), khi sử dụng sóng siêu âm để hỗ trợ quá trình trích ly protein từ cám gạo bằng dung môi kiềm thì thời gian trích ly sẽ được rút ngắn hơn so với phương pháp trích ly protein truyền thống.
Đồng thời khi công suất siêu âm tăng thì hiệu suất trích ly protein tăng theo [8].
- Năm 2010, Karki đã nghiên cứu trích ly protein từ đậu nành bằng sóng siêu âm và kết quả là khi tần số siêu âm là 20kHz, tỷ lệ nguyên liệu/nước là 1/10, công suất siêu âm tăng từ 0 lên 0,3; 0,87; 1,53 và 2,56 W/mL thì hiệu suất trích ly protein cũng tăng lần lượt từ 53,5% lên 61,5%; 66%, 69% và 78%. Nguyên nhân là khi công suất siêu âm càng cao thì cường độ sóng siêu âm càng cao, sẽ phá vỡ cấu trúc mô và tế bào thực vật nhiều hơn, giúp protein trong nguyên liệu tiếp xúc với dung môi tốt hơn, từ đó protein dễ hòa tan vào dung môi hơn [36].
- Năm 2010, Tang và cộng sự đã khảo sát và tối ưu hóa quá trình trích ly protein từ bã hèm và nhận thấy hiệu quả trích ly tốt nhất đạt được sau 81.4 phút, ở nhiệt độ phòng và công suất siêu âm là 88.2 W/100mL [37].
- Zhenliang Zhang (2010) đã sử dụng kỹ thuật sóng siêu âm ở công suất 160W hỗ trợ quá trình trích ly protein từ bã hạnh nhân. Kết quả cho thấy với nhiệt độ 37°C, pH 10,1, tỷ lệ nguyên liệu/ dung môi: 1/29,5, thời gian trích ly là 30 phút thì hiệu suất trích ly protein đạt 69,76% [38].
- Jianfei Zhu và đồng sự (2012) đã tối ưu hóa quá trình trích ly protein từ hạt tía tô (Perilla Seed) bằng cách sử dụng sóng siêu âm để hỗ trợ. Kết quả thu được cho
thấy hiệu suất protein trích ly được từ hạt tía tô cao nhất là 10,77% khi nhiệt độ trích ly là 40oC, công suất siêu âm 61 W/g, thời gian trích ly là 12 phút và tỷ lệ của chất lỏng/ rắn là 40 mL/g [7].
- Từ Gia Lợi và đồng sự (2014) đã sử dụng sóng siêu âm để cải thiện quá trình trích ly albumin từ hạt bí đỏ. Với công suất siêu âm là 20W/g, thời gian xử lý siêu âm là 3 phút, thời gian trích ly sau giai đoạn xử lý siêu âm là 40 phút, hiệu suất trích ly albumin đạt 16.35% so với lượng protein tổng trong nguyên liệu và giá trị này tăng 22.84% so với mẫu đối chứng [5].
- Cổ Thị Xuân Mai và cộng sự (2015), đã chứng minh được rằng với công suất siêu âm 20 W/g, tỷ lệ nguyên liệu/ dung môi là 1/10, thời gian xử lý siêu âm 2 phút, thời gian trích ly là 20 phút thì hiệu suất trích ly albumin từ hạt chôm chôm đạt 45.92%, cao hơn 18% so với mẫu đối chứng. Ngoài ra, khi tăng công suất siêu âm từ 0 đến 25 W/g và tăng thời gian siêu âm từ 0 đến 3 phút thì hiệu suất trích ly tăng dần đồng thời không làm thay đổi tính chất chức năng của protein [9].
Tóm lại, trích ly với sự hỗ trợ của kỹ thuật siêu âm đang là kỹ thuật mới với nhiều ưu điểm như tăng hiệu suất, giảm thời gian trích ly. Đối tượng được nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật này chủ yếu là các hợp chất có hoạt tính sinh học, lipid, protein. Trong luận văn này, chúng tôi đã kết hợp việc sử dụng nguồn phụ phẩm của ngành chế biến thực phẩm (hạt bí đỏ) và kỹ thuật xử lý siêu âm trong quá trình trích ly protein. Chúng tôi sẽ khảo sát ảnh hưởng của công suất và thời gian siêu âm đến hiệu suất trích ly nhóm protein tan trong dung môi muối loãng, đồng thời khảo sát tính chất chức năng của các chế phẩm protein. Từ đó nâng cao giá trị sử dụng cho protein từ hạt bí đỏ.