1.2.3.1. Nguyên lý
Thực chất của quá trình thủy phân thịt cá là quá trình biến đổi protein để tạo ra các acid amin dưới tác dụng của hệ enzyme protease nội tại và enzyme bổ sung bên ngoài [13]:
Protein → Polipeptid → peptid → Acid amin
Do vậy tùy mức độ thủy phân, thời gian thủy phân mà ta có thể thu được peptid hay acid amin.
- Enzyme là chất xúc tác sinh học có tính đặc hiệu cao do vậy nó chỉ có tác dụng đối với một vài loại liên kết nào đó và kiểu liên kết nhất định.
- Protease là chất xúc tác thủy phân liên kết peptid (-CO-NH-) trong phân tử protein và cơ chất tương tự.
1. 2.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình thủy phân
Tốc độ thủy phân bằng enzyme chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố [13], cụ thể là
- Ảnh hưởng của nồng độ enzyme: khi nồng độ enzyme thấp, lượng cơ chất lớn, vận tốc thủy phân phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ enzyme. Khi nồng độ enzyme tăng, tốc độ phản ứng thủy phân tăng đến một giá trị giới hạn v = vmax thì nếu nồng độ enzyme tiếp tục tăng, tốc độ enzyme phản ứng thủy phân bởi enzyme tăng không đáng kể, thậm chí không tăng.
- Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất: nồng độ cơ chất có ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng thủy phân, khi càng tăng nồng độ cơ chất, tốc độ phản ứng thủy phân
càng tăng, nhưng khi tốc độ phản ứng thủy phân đạt đến giới hạn v = vmax nếu tiếp tục tăng nồng độ cơ chất, vận tốc phản ứng thủy phân hầu như không tăng.
- Ảnh hưởng của các chất kiềm hãm: chất kiềm hãm (hay chất ức chế) là những chất vô cơ hay hữu cơ mà khi có sự hiện diện của chúng, enzyme có thể bị giảm hoặc mất hoạt tính. Với mỗi enzyme ta có các chất kìm hãm khác nhau, vì vậy khi sử dụng enzyme ta phải biết rõ các chất kiềm hãm của nó để điều chỉnh phản ứng.
- Ảnh hưởng của các chất hoạt hóa: chất hoạt hóa là những chất khi có mặt trong phản ứng có tác dụng làm tăng hoạt tính enzyme, các chất này có bản chất hóa học khác nhau, có thể là ion kim loại, anion hoặc các chất hữu cơ. Tuy nhiên các chất hoạt hóa chỉ có tác dụng trong giới hạn nồng độ xác định. Khi dùng quá nồng độ cho phép, hoạt độ enzyme sẽ giảm.
- Ảnh hưởng của nhiệt độ: enzyme là protein có hoạt tính xúc tác nên kém bền với nhiệt, chúng chỉ có hoạt tính trong khoảng nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ làm chúng biến tính. Trong khoảng nhiệt độ đó, khi nhiệt độ tăng tốc độ phản ứng thủy phân tăng. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng thủy phân do enzyme xúc tác được đặc trưng bằng hệ số:
Q10 =
k Kt10
Với Kt : Hằng số tốc độ phản ứng tại nhiệt độ t Kt+10 : Hằng số tốc độ phản ứng tại nhiệt độ t 10oC
Người ta đã xác định được hệ số Q10 của các loại enzyme trong cơ thể cá trong khoảng từ 2 – 3, cá biệt có thể lên đến 7 như phản ứng Hemoglobin trong máu cá.
Vùng nhiệt độ tạo cho enzyme có nhiệt độ cao nhất gọi là vùng nhiệt độ thích hợp của enzyme, trong đó có một giá trị nhiệt độ mà ở đó, tốc độ enzyme đạt cực đại gọi là nhiệt độ tối thích. Với đa số enzyme, vùng nhiệt độ thích hợp trong khoảng 40 – 500C. Nhiệt độ làm cho enzyme mất hoàn toàn hoạt tính gọi là nhiệt độ tới hạn, đa số enzyme có nhiệt độ tới hạn khoảng 700C, với các enzyme bền nhiệt (bromelin, papin…), nhiệt độ tới hạn có thể cao hơn. Nhiệt độ thích hượp với một enzyme có sự thay đổi khi có sự thay đổi về pH, nồng độ cơ chất…
- Ảnh hưởng của pH: pH có ảnh hưởng mạnh mẽ đến hoạt tính
enzyme vì pH ảnh hưởng đến mức độ ion hóa cơ chất, ion hóa enzyme và đến độ bền của protein enzyme. Đa số enzyme có khoảng pH thích hợp từ 5 – 9. Với nhiều protease, pH thích hợp ở vùng trung tính nhưng cũng có một số protease có pH trong vùng acid (pepsin, protease acid của vi sinh vật…) hoặc nằm trong vùng kiềm ( trypsin, subtilin…). Với từng enzyme, giá trị pH thích hợp có thể thay đổi khi nhiệt độ, loại cơ chất … thay đổi.
- Ảnh hưởng của thời gian thủy phân: thời gian thủy phân cần thích hợp để enzyme phân cắt các liên kết trong cơ chất, tạo thành các sản phẩm cần thiết của quá trình thủy phân nhằm đảm bảo hiệu suất thủy phân cao, chất lượng sản phẩm tốt. Thời gian thủy phân dài, ngắn khác nhau tùy thuộc vào loại enzyme, nồng độ cơ chất, pH, nhiệt độ, sự có mặt của chất hoạt hóa, ức chế… Trong thực tế, thời gian thủy phân phải xác định bằng thực nghiệm và kinh nghiệm thực tế cho từng quá trình thủy phân cụ thể.
- Ảnh hưởng của lượng nước: nước vừa là môi trường phân tán enzyme và cơ chất lại vừa trực tiếp tham gia phản ứng nên tỷ lệ nước có ảnh hưởng lớn đến tốc độ và chiều hướng và là một yếu tố điều chỉnh phản ứng thủy phân bởi enzyme.
1.3. SẤY PHUN
Phương pháp sấy phun dùng để sấy các dung dịch, huyền phù, keo phân tán. Trong công nghiệp thực phẩm, hệ thống sấy phun dùng để sấy dung dịch, để tách bơ thành sữa bột, lòng đỏ trứng gà, cafe hòa tan, nước ép trái cây các loại, nấm men, vitamin…[8].
Hệ thống sấy phun gồm có: buồng sấy phun, bộ phận nạp nguyên liệu là những vòi hay cơ cấu phun, hệ thống quạt, caloriphe để cấp nhiệt cho tác nhân sấy, bộ phận thu hồi sản phẩm sấy [8].
Cơ sở khoa học của sấy phun:
Sấy là quá trình làm bốc hơi nước ra khỏi vật liệu dưới tác dụng của nhiệt. Trong quá trình sấy, nước được tách ra khỏi vật liệu nhờ sự khuếch tán do [8]:
- Chênh lệch áp suất hơi riêng phần của nước tại bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh.
Các điểm khác biệt của sấy phun so với các phương pháp sấy khác: mẫu nguyên liệu đưa vào sấy phun có dạng lỏng, còn sản phẩm sau khi sấy có dạng bột. Thực chất mẫu nguyên liệu khi vào thiết bị sấy sẽ được phân tán thành hạt nhỏ li ti trong buồng sấy chúng được tiếp xúc với tác nhân sấy. Kết quả là hơi nước bốc đi nhanh chóng. Các hạt sản phẩm được tách ra khỏi tác nhân sấy nhờ một hệ thống thu hồi riêng.
Quá trình sấy có những ưu điểm sau [8]: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Nhờ các bộ phận phun mà nguyên liệu sấy được phun thành các hạt rất nhỏ vào dòng tác nhân sấy đi vào buồng sấy làm tăng sự tiếp xúc giữa hai pha. Nhờ vậy mà cường độ sấy cao, thời gian sấy ngắn. Khi sử dụng tác nhân sấy ở nhiệt độ cao, sản phẩm sấy phun có chất lượng tốt, xốp, dễ hòa tan, tiện cho sử dụng và chế biến. Dễ dàng lựa chọn thông số sấy.
- Thời gian tiếp xúc giữa các hạt lỏng và tác nhân sấy trong thiết bị rất ngắn, do đó nhiệt độ của mẫu nguyên liệu đem sấy không bị tăng cao. Nhờ đó sự tổn thất các chất dinh dưỡng mẫn cảm với nhiệt độ là không đáng kể.
- Sản phẩm sấy phun thu được là các hạt có hình dạng và kích thước đồng nhất. Tỷ lệ giữa các cấu tử không bay hơi trong hạt sản phẩm tương tự như trong mẫu lỏng ban đầu.
- Thiết bị sấy phun trong thực tế sản xuất thường có năng suất cao và làm việc theo nguyên tắc liên tục. Điều này góp phần làm hiện đại hóa các quy trình công nghiệp.
Nhược điểm của sấy phun [8]:
- Lưu lượng tác nhân sấy lớn, tốn kém trong khâu chuẩn bị dung dịch (nguyên liệu sấy) và hệ thống sấy phun có giá thành cao.
- Không thể sử dụng những mẫu có độ nhớt quá cao hoặc sản phẩm yêu cầu có tỷ trọng cao.
- Mỗi thiết bị sấy phun thường được thiết kế để sản xuất một số sản phẩm với những tính chất và chỉ tiêu đặc thù riêng. Ví dụ: thiết bị chuyên dùng để sản xuất bột mịn không thể sản xuất dạng bột.
- Vốn đầu tư thiết bị sấy phun khá lớn khi ta so sánh với các thiết bị sấy liên tục.
Quá trình sấy phun gồm 3 giai đoạn [8]:
- Giai đoạn phân tán dòng nguyên liệu thành những hạt sương li ti.
- Giai đoạn trộn mẫu cần sấy và không khí nóng, khi đó sẽ xảy ra quá trình bốc hơi nước trong mẫu.
- Giai đoạn thu hồi sản phẩm từ dòng khí thoát. Nguyên lý của thiết bị sấy phun [8]:
Dịch được bơm vào thiết bị với tốc độ thích hợp đến đầu vòi phun dịch phân tán thành các hạt nhỏ li ti.
Dòng không khí nóng được lọc sạch và đi qua tháp sấy có nhiệt độ khoảng 130 ÷ 2000C. Dòng không khí này được đua đến sát đầu mút của vòi phun. Nhờ chuyển động của dòng không khí nóng đã tạo nên chuyển động xoáy [8].
Sau đó hỗn hợp không khí – dịch được định hướng bởi bộ phận cyclon phân chia có khả năng tách sản phẩm khỏi khí thải. Bột nêm tách ra sẽ rơi xuống bình thu mẫu ở phía dưới.
Trong quá trình sấy tất cả các yếu tố: nhiệt độ không khí, áp suất khí nén, tốc độ bơm dịch… đều ảnh hưởng đến hiệu quả sấy phun. Chẳng hạn, nếu sấy ở nhiệt độ cao trong thời gian dài sẽ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.
1.4.TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VÀ TRÊN THẾ GIỚI VỀ SỰ THỦY PHÂN PROTEIN
1.4.1.Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Chae (1998), qua nghiên cứu cho thấy sử dụng kết hợp 3 enzyme Neutrase, Alcalase và Flavourzyme để thủy phân protein sẽ cho độ thủy phân cao hơn khi sử dụng kết hợp hai enzyme Alcalase và Flavourzyme. Theo tác giả này, độ thủy phân
đạt cao nhất khi sử dụng kết hợp 3 enzyme là 51% trong khi đó giá trị DH chỉ đạt 47 % khi sử dụng hai enzyme [14].
Herpandi và cộng sự (2012) đã nghiên cứu độ thủy phân và lượng axid amin trytophan tự do của sản phẩm thủy phân cá ngừ bằng các loại protease khác nhau. Sản phẩm thủy phân protein thịt cá ngừ vằn được sản xuất bằng các loại protease(Alcalase, Protamex, Neutrase và Flavourzyme) trong thời gian 60, 120, 180 và 240 phút với tỷ lệ enzyme protease là 0,5, 1, 1,5 và 2% so với khối lượng của nguyên liệu. Kết quả cho thấy thời gian dài với tỷ lệ enzyme cao đã làm tăng độ thủy phân. Alcalase cho độ thủy phân cao nhất trong số tất cả các protease, tiếp theo là Protamex, Flavourzyme và Neutrase [19].
Liaset và cộng sự (2003) nghiên cứu thủy phân phần xương còn lại sau khi philê tách thịt cá hồi bằng enzyme Protamex ở điều kiện nhiệt độ 550C, pH tự nhiên là 6,5, nồng độ enzyme là 11,1 AU/kg protein thô với tỷ lệ phế liệu/nước là 1,14, thời gian thủy phân 6 giờ. Kết quả thu được sản phẩm thủy phân giàu các axid amin không thay thế và axid béo không no [24].
Lian và cộng sự (2005) nghiên cứu tối ưu hóa quá trình thủy phân phế liệu mực bằng enzyme Flavourzyme và Protamex. Kết quả nghiên cứu cho thấy với nhiệt độ 500C, thời gian thủy phân 6 giờ thì hàm lượng axid amin tự do của sản phẩm thủy phân đạt cao nhất 24,8% so với mẫu đối chứng 8,2% [22].
Motamedzadegan và cộng sự (2010) đã nghiên cứu tối ưu hóa chế độ thủy phân nội tạng cá ngừ vây vàng (Thunnus albacares) bằng enzyme Neutrase. Kết quả chỉ ra rằng khi sử dụng enzyme Neutrase để thủy phân nội tạng cá ngừ vây vàng (Thunnus albacares) thì các thông số tối ưu là nồng độ enzyme 37 AU / kg protein, pH tự nhiên của bản thân nguyên liệu, nhiệt độ từ 50°C, và thời gian 60 phút thì độ thủy phân (DH) đạt 35%, sản phẩm thủy phân có hàm lượng protein cao 74,56% và hàm lượng lipid thấp 1,86% và được sử dụng trong nuôi trồng thủy sản và làm thức ăn cho chăn nuôi [25].
Nguyen và cộng sự (2011) đã nghiên cứu sự thủy phân phế liệu từ cá ngừ bằng enzyme Protamex và đặc tính sinh hóa của sản phẩm thủy phân. Một chế độ thủy
phân được thực hiện cho các phế liệu từ cá ngừ như đầu, nội tạng, đuôi ở nhiệt độ 450C, tỷ lệ nước/nguyên liệu = 1/1, tỷ lệ enzyme 0,1%, pH tự nhiên, thời gian 12h. Kết quả nghiên cứu đã cho thấy, độ thủy phân của đầu, nội tạng và đuôi lần lượt là 32,3%, 16,8% và 22,2%. Hiệu suất thu hồi nitơ trong các sản phẩm thủy phân từ đầu, nội tạng và đuôi lần lượt là 73,6%, 82,7%, 85,8% [26].
Ovissipour và cộng sự (2009) đã nghiên cứu tối ưu hóa sự thủy phân phế liệu cá tầm bằng enzyme Alcalase. Kết quả nghiên cứu đã xác định được các điều kiện tối ưu là: 50°C, 120 phút. Chế độ thủy phân này cho sản phẩm thủy phân có hàm lượng protein tương đối cao (66,43%) và lipid thấp (1,34%) [30].
Ovissipour và cộng sự (2010) đã nghiên cứu sản xuất sản phẩm thủy phân protein từ đầu cá ngừ vây vàng (Thunnus albacares) sử dụng enzyme Alcalase và Protamex. Đầu cá ngừ vây vàng thu được từ quá trình sản xuất cá ngừ đóng hộp được thủy phân với các thông số sau: nồng độ enzyme sử dụng là 1,5%, pH tự nhiên, tỷ lệ nguyên liệu/nước (w / v) là 1:1. Kết quả cho thấy theo thời gian thủy phân thì độ thủy phân càng cao. Độ thủy phân, hàm lượng protein và axít amin trong sản phẩm thủyphân thu được khi sử dụng enzyme Alcalase cao hơn so với enzyme Protamex Slizyté và cộng sự (2005) khi nghiên cứu quá trình thủy phân nội tạng cá Tuyết bằng enzyme Neutrase với tỷ lệ 0,3%, thời gian thủy phân 1h, ở nhiệt độ 500C thì thu được bột protein thủy phân có hàm lượng ẩm 3,9%; protein thô 83,5%; lipid 3,0%; tro 12,4% [31].
Ji và cộng sự (2012) đã nghiên cứu thủy phân protein của cá Đù vàng nhỏ và đánh giá hoạt động chống oxi hóa dịch thủy phân thu được. Kết quả đưa ra điều kiện thủy phân tối ưu như sau: nhiệt độ 600C, thời gian thủy phân 4 giờ, nồng độ enzyme là 0,2% và tỷ lệ nguyên liệu/nước 1/5. Ở điều kiện thủy phân trên, độ thủy phân cao nhất (DH) là 49,50%. Khả năng chống oxy hóa của dịch thủy phân protein ở độ DH là 40,96, 43,75, 48,85 và 49,50% đã được nghiên cứu bằng a-diphenyl-b- picrylhydrazyl (DPPH) và khả năng loại bỏ gốc tự do hydroxyl. Độ thủy phân ở 49,50% có khả năng chống oxy hóa cao nhất. Quá trình thủy phân enzyme protein (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
cá Đù vàng nhỏ có thể được sử dụng để sản xuất sản phẩn thủy phân có tính chống oxi hóa [18].
Duan và cộng sự (2008) nghiên cứu thu hồi protein từ nguyên liệu còn lại sau fillet của cá Chép bạc bằng enzyme thủy phân và giảm vị đắng trong dịch thủy phân. Sử dụng enzyme thủy phân nguyên liệu còn lại sau phi lê và sau đó nghiên cứu cơ chế giảm đắng trong dịch thủy. Đầu tiên, nghiên cứu thủy phân với enzym protease trung tính, Papain, Protamex, Flavourzyme, kết hợp Neutrase và Papain (NPC), kết hợp Neutrase và Flavourzyme (NFC), so sánh các giá trị: độ thủy phân (DH), độ hòa tan của protein và giá trị vị đắng; Kết quả NFC đã được tìm thấy là tốt nhất. Thứ hai, trên cơ sở orthogonal tests, điều kiện thủy phân tối ưu đã được thực hiện với tỷ lệ enzyme/nguyên liệu 0,5% của NFC ở pH 7.5 và 500C. Cuối cùng, nghiên cứu ảnh hưởng của hai công đoạn tiền xử lý bao gồm ủ ấm và loại bỏ chất béo thông qua độ thủy phân DH đã được nghiên cứu. Kết quả cho thấy hai công đoạn tiền xử lý này là không có lợi cho quá trình thủy phân bằng enzyme của nguyên liệu còn lại sau fillet của cá chép bạc [15].
Ovissipour M. và cộng sự (2010) đã nghiên cứu tối ưu hóa quá trình thủy phân protein nội tạng cá Ngừ vây vàng. Điều kiện thủy phân (tỷ lệ enzyme, nhiệt độ và thời gian) được tối ưu hóa sử dụng phương pháp bề mặt đáp. Các điều kiện tối ưu để đạt được độ thủy phân cao nhất là: 60,4°C, 90,25 phút, và Alcalase có độ hoạt động là 70,22 AU / kg protein. Sấy phun dịch thủy phân protein nội tạng cá ngừ có hàm lượng protein tương đối cao (72,34%) và lipid thấp (1,43%) [32].
Kristinsson H.G. và cộng sự (2000) đã nghiên cứu quá trình thủy phân protein cơ thịt cá Hồi bởi hỗn hợp enzyme chiết suất từ nội tạng cá Hồi Đại Tây Dương. Thí nghiệm xác định hoạt động của chymotrypsin trong thành phần serine protease