Trong quá trình phân riêng, hai thông số quan trọng đánh giá hiệu quả của quá trình là lƣu lƣợng dòng permeate (Flux) và độ phân riêng (Rejection). Cơ chế của quá trình phân riêng rất phức tạp, nó liên quan đến sự tƣơng tác vật lý, hóa học giữa membrane với các cấu tử có trong nguyên liệu và chế độ làm việc của quá trình (Mallevialle và cộng sự, 1996).
Đặc tính của membrane
Kích thƣớc lỗ mao quản, vật liệu chế tạo, tính háo nƣớc hay kỵ nƣớc, điện tích trên bề mặt membrane,… là những đặc tính quan trọng ảnh hƣởng đáng kể đến hiệu quả của quá trình phân riêng.
Đặc tính của nguyên liệu
Bên cạnh yếu tố vật liệu membrane, đặc tính của nguyên liệu [nồng độ(Ivetta Vincze và Gyula Vatai (2004)), lƣợng vi sinh vật(Baker và Dudley, 1998), pH(Jian- Jun Qin và cộng sự (2003)…]là yếu tố ảnh hƣởng sâu sắc đến quá trình phân riêng. Yếu tố này không ảnh hƣởng đơn lẻ mà tƣơng tác với vật liệu membrane.
-38- Các thông số kỹ thuật của quá trình
Đặc tính của membrane và nguyên liệu là hai yếu tố khó thay đổi trong quá trình phân riêng.Yếu tố mà chúng ta có thể điều khiển đƣợc một cách dễ dàng và có hiệu quả là chế độ làm việc của quá trình phân riêng. Các nghiên cứu nâng cao hiệu quả của quá trình phân riêng chủ yếu tập trung vào các thông số kỹ thuật, bao gồm: áp suất làm việc, nhiệt độ làm việc, lƣu lƣợng dòng nhập liệu.(Hyeok Choi và cộng sự (2004),Roberto Ferrarini và cộng sự (2000).
1.5.8.Diafiltration
Diafiltration là quá trình bổ sung nƣớc vào dòng retentate nhằm thu hồi các cấu tử trong dòng permeate hoặc tăng cƣờng độ tinh sạch của dòng retentate.
Có nhiều cách thức vận hành quá trình diafiltration. Trong đó, hai cách thức vận hành chính là: Diafiltration không liên tục (discontinuous diafiltration) và diafiltration liên tục (continuous diafiltration).
Diafiltration không liên tục (discontinuous diafiltration)
Bước 1: Cô đặc thể tích dung dịch đầu (V0) theo tỷ lệ cô đặc VCR đã định. VCR
Với: VCR: Tỷ lệ cô đặc V0: Thể tích dung dịch đầu VR: Thể tích dòng retentate
Bước 2: Bổ sung nƣớc cất vào dòng retentate để về thể tích ban đầu Vo (bổ sung một lần).
Bước 3: Cô đặc về thể tích cuối theo tỷ lệ cô đặc trên.
Diafiltration liên tục (continuous diafiltration)
Bước 1: Tƣơng tự nhƣ đối với diafiltration không liên tục.
Bước 2: Bổ sung liên tục nƣớc cất vào dòng retentate sao cho thể tích nƣớc cất thêm vào bằng thể tích của dòng permeate đi ra. Thông số thể hiện quá trình này là VD:
-39- VD
Với: VP: Thể tích dòng permeate khi thực hiện bƣớc 2 VR: Thể tích dòng retentate khi thực hiện bƣớc 2
Bước 3: Cô đặc về thể tích cuối theo tỷ lệ cô đặc trên. (Wang, 2008)
Ngoài ra, ngƣời ta còn có thể thực hiện quá trình diafiltration qua nhiều bậc. Có hai dạng nhƣ sau:
Cross-current diafiltration:
Hình 1.6. Cross-current diafiltration
Nƣớc đƣợc cho vào dòng retentate nhiều lần để thực hiện quá trình diafiltration nhiều bậc. Lƣợng nƣớc đƣợc điều chỉnh sao cho lƣợng permeate đi ra bằng lƣợng nƣớc thêm vào. Ở mô hình này, lƣợng nƣớc đƣợc sử dụng nhiều hơn so với mô hình counter-current, đồng thời làm cho nồng độ của dòng permeate bị giảm.
-40- Counter-current diafiltration
Hình 1.7. Counter – current diafiltration
Lƣợng nƣớc cho vào ở bậc cuối trong quá trình thực hiện diafiltration. Ở các bậc trƣớc, dòng permeate đƣợc sử dụng nhƣ lƣợng nƣớc để thực hiện quá trình diafiltration ở bậc tiếp theo. Nhờ vậy, mô hình này giúp giảm lƣợng nƣớc cần sử dụng khi so với mô hình cross-current diafiltration, đồng thời làm tăng nồng độ của dòng permeate (Scott, 1996).
Hiện nay, ngƣời ta đã phát triển thêm nhiều cách thức vận hành diafiltration. Ví dụ nhƣ diafiltration với thể tích nƣớc thêm vào thay đổi (variable volume dilution mode -VVD).
Khi đó, thể tích nƣớc thêm vào nhỏ hơn thể tích dòng permeate đi ra. Điều này giúp đồng thời làm tăng nồng độ các cấu tử lớn và loại bỏ các cấu tử bé. Phƣơng thức này đƣợc đề xuất bởi Jaffrin and Charrier (1994), phân tích chi tiết bởi Tekic và cộng sự (2002); Krstic và cộng sự (2004), gần đây đƣợc chỉnh sửa bởi Foley (2006).
1.5.9.Ứng dụng của kỹ thuật phân riêng bằng membrane (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong công nghệ thực phẩm
Hiện nay, kỹ thuật phân riêng bằng membrane đã và đang đƣợc áp dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt là lĩnh vực sản xuất thực phẩm. Ƣu điểm lớn của kỹ thuật này là làm việc đƣợc ở nhiệt độ thƣờng nên các sản phẩm thực phẩm thu đƣợc sẽ có chất lƣợng cao, ít bị tổn thất về màu sắc, mùi vị và các cấu tử dinh dƣỡng mẫn cảm với nhiệt độ.
-41-
Một số ứng dụng chính của kỹ thuật membrane trong sản xuất thực phẩm đƣợc trình bày trong bảng 1.10.
Bảng 1.10:Một số ứng dụng của kỹ thuật membrane trong công nghệ thực phẩm
Ngành Ứng dụng RO NF UF MF
Sản xuất đồ uống
Tách cồn ra khỏi bia trong sản xuất bia không cồn X
Cô đặc cà phê X
Tách vi sinh vật trong nƣớc táo X
Cô đặc nƣớc chanh dây X
Cô đặc nƣớc nho X
Tách acid tartaric từ rƣợu vang X
Cô đặc giấm X
Tách nấm men trong rƣợu vang X
Tách ion NO3- X
Chế biến sữa
Tách muối trong sản xuất phô mai X
Cô đặc nƣớc whey X Cô đặc sữa X Chế biến các sản phẩm thực phẩm khác Cô đặc dịch lòng trắng trứng X Cô đặc jelly X Cô đặc syrup X
Tách tạp chất trong sản xuất dầu oliu X
Trong công nghệ sản xuất protein concentrate (PC) và isolate (PI) từ họ đậu
Trong công nghệ sản xuất PC, PI, bên cạnh các phƣơng pháp truyền thống cho kết tủa đẳng điện bằng acid, bằng cồn, bằng muối… thì kỹ thuật membrane đang đƣợc sử dụng ở một số nƣớc. Các sản phẩm protein thu nhận bằng kỹ thuật membrane thƣờng giữ lại các tính chất công nghệ tốt hơn so với phƣơng pháp truyền thống, ngoài ra, đây là một phƣơng pháp ít tốn năng lƣợng và hóa chất rất phù hợp cho các ngành công nghiệp phát triển bền vững trong thời đại nay.
Hàm lƣợng protein trong nguyên liệu ban đầu là một yếu tố quyết định đến quá trình phân riêng bằng membrane. Đối với họ đậu, hàm lƣợng protein thƣờng khá cao lớn hơn 18%. Do đó, đây là đối tƣợng quan tâm của công nghệ này. Dƣới đây xin giới
-42-
thiệu hai nhóm phổ biến là đậu nành và đậu pulse thƣờng đƣợc ứng dụng để thu nhận protein bằng kỹ thuật membrane.
Đậu nành:
Năm 1970, Porter và Michaels là những ngƣời đầu tiên đã đề xuất thu nhận protein bằng kỹ thuật membrane dùng màng siêu lọc (UF). Đến năm 1975, Okubo và cộng sự đã sản xuất protein isolate từ đậu nành sử dụng kết hợp UF và diafiltrattion (DF) liên tục. Sau đó, Lawhon và cộng sự (1978) đã đề nghị sử dụng UF kết hợp DF không liên tục để thu nhận SPI.
Trong những năm gần đây, để sản xuất SPC với hàm lƣợng acid phytic thấp, ta kết hợp phƣơng pháp điện thẩm tích để điều chỉnh pH của SPE từ pH 9 xuống pH 6, nhờ pH này mà hạn chế tối đa phản ứng giữa acid phytic và protein (Grysphan và Cheryan, 1989), với hệ thống dead – end ultrafiltration / diafiltration (UF/DF) sử dụng màng 100 kDa (Mondor, Ippersiel, Lamarche và Boye, 2004). Mặc dù hiện tƣợng fouling nhiều hơn, dịch chiết protein đậu nành đƣợc điện acid hóa pH 6 tạo ra SPC có lƣợng khoáng và acid phytic thấp hơn, và cải thiện độ hòa tan so với dịch chiết protein đậu nành không dùng điện acid hóa (pH 9). Sử dụng dòng chảy lớn tiếp tuyến với lỗ màng UF 100 kDa, Skorepova và Moresoli (2007) đã so sánh thông số thời gian lọc và thành phần của sản phẩm SPC do dịch chiết protein đậu nành đƣợc điện acid hóa (pH 6) và không dùng điện acid hóa (pH 9). Họ đã nhận thấy rằng việc loại bỏ carbohydrate trong suốt quá trình lọc phù hợp với các dự đoán lý thuyết (dựa trên giả thuyết về độ thấm tự do) cho cả hai thí nghiệm, trong khi đó calcium, magnesium, acid phytic đối với điện acid hóa đƣợc tách nhiều hơn so với không dùng điện acid hóa. Ngoài ra, khi thay đổi pH từ 9 xuống 6 có một ảnh hƣởng không tốt đến dòng permeate là nó dễ bị hiện tƣợng fouling và thời gian lọc lâu hơn. Bên cạnh đó, quá trình diafiltration gián đoạn (DDF) tăng cƣờng việc loại bỏ khoáng và carbohydrate, vì vậy nồng độ của protein trong sản phẩm cao hơn, song DDF không thể cải thiện dòng permeate với dịch chiết protein đậu nành điện acid hóa. Ali, Ippersiel, Lamarchae và Mondor (2009) đã sử dụng phƣơng pháp điện thẩm tích kết hợp với UF/DF với dòng nhập liệu tiếp tuyến với lỗ màng 100 kDa polysulfone để sản xuất SPI pH 6 với tỷ lệ acid phytic/protein thấp. Họ tiến hành so sánh loại SPI này với các loại SPI đƣợc sản xuất bởi UF/DF (pH 9) và kết tủa đẳng điện bởi acid hữu cơ (pH 4,5) về thành phần
-43-
(tro, protein, hàm lƣợng acid phytic) và độ hòa tan protein. Nhƣ những nghiên cứu trƣớc đó (Mondor và cộng sự., 2004; Skorepova và Moresoli, 2007), họ cũng đã nhận thấy rằng khoáng và phosphorus (acid phytic) đƣợc khử nhiều hơn hẳn đối với sản phẩm SPI pH 6. Những protein giống với protein trong whey cũng đƣợc tìm thấy nhiều hơn cho những loại protein đƣợc sản xuất bằng kỹ thuật membrane. Sự khác nhau này trong thành phần giúp cải thiện những đặc tính độ hòa tan, cụ thể là độ hòa tan SPI pH 6 cao hơn SPI pH 4,5 là 25 % và SPI pH 9 là 60 %. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đậu pulse
Một trong những đặc tính chung quan trọng của pulse gồm đậu Hà Lan (pea), đậu garbanzo (chickpea), đậu lăng (lentil) và một số loại đậu khác, là hàm lƣợng protein cao từ 17 – 30 % (Boye và cộng sự, 2010). Trong khi đó, ở đậu lupin, hàm lƣợng protein có thể đạt đến 40% tùy thuộc vào loại đậu lupin, ngoài ra còn có hàm lƣợng dầu trong hạt chiếm từ 5,8 – 14,1 % (Peterson, 1998), nhƣng nó không đƣợc quan tâm nhiều nhƣ dầu đậu nành (Roy và cộng sự, 2010). Đậu Hà Lan, đậu garbanzo, đậu lăng thì thƣờng có hàm lƣợng chất béo thấp (Boye và cộng sự, 2010).
Khi tiến hành phân tích nhóm đậu này, các nhà nghiên cứu nhận thấy khối lƣợng phân tử của protein đậu pulse thƣờng bé hơn đậu nành, dao động chủ yếu trong khoảng 17 kDa đến dƣới 100 kDa. Do đó, họ đã sử dụng màng UF với MWCO là 50 kDa để thu nhận protein nhóm đậu pusle này.
Boye và cộng sự (2010) nhận thấy các loại protein concentrate từ đậu Hà Lan, đậu garbanzo và đậu lăng đƣợc thu nhận bằng kỹ thuật membrane thì hàm lƣợng protein trong sản phẩm PC đƣợc thu nhận bằng phƣơng pháp UF/DF thì cao hơn đôi chút so với kết tủa đẳng điện (IEP). Tuy vậy, khả năng giữ nƣớc, tạo nhũ và tạo bọt thì UF/DF lại thấp hơn.
Martin Mondor và cộng sự (2009) đã tiến hành thu nhận PC từ hai loại đậu garbanzo là Desi và Kabuli bằng kỹ thuật IEP và UF/DF ở các chế độ khác nhau. Hàm lƣợng protein thu đƣợc trong bột PC bằng kỹ thuật UF/DF thì cao hơn so với IEP. Bên cạnh đó, chất ức chế trypsin trong mẫu kết tủa đẳng điện cũng cao hơn.Tuy vậy, nồng độ phenolic của mẫu IEP lại thấp hơn so với các mẫu sử dụng membrane.Ngoài ra, đối
-44-
với hàm lƣợng phosphorus tổng ở thì UF/DF pH 6 thấp nhất, kế đến là IEP và UF/DF pH 9.
Ali và cộng sự (2011) khảo sát tính chất ảnh hƣởng của việc bổ sung thêm muối KCl 0,06M vào trong dịch trƣớc khi tiến hành chạy membrane và so sánh với sản phẩm thƣơng mại. Họ nhận thấy protein hòa tan trong mẫu bằng membrane thì cao hơn hẳn so với mẫu protein thƣơng mại cùng loại. Không chỉ vậy, PPI đƣợc thu nhận bằng kỹ thuật UF/DF pH 6 sẽ có chất lƣợng tốt nhất, hàm lƣợng protein là cao nhất, khả năng tạo bọt và thời gian bền bọt cao nhất và nồng độ phosphorus tổng là thấp hơn hẳn so với các mẫu 0,06 M KCl UF/DF pH 6, UF/DF pH 7,5, 0,06 M KCl UF/DF pH 7,5.
Những nghiên cứu ở trên càng chứng tỏ đƣợc hiệu quả ƣu việt của kỹ thuật membrane trong công nghệ sản xuất PC và PI nói chung và trong thu nhận protein họ đậu nói riêng.
-46-
CHƢƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP 2.1.Khảo sát thành phần nguyên liệu
2.1.1.Nguyên liệu
2.1.1.1. Khô đậu phộng
Nguyên liệu khô dầu đậu phộng sử dụng trong thí nghiệm đƣợc cung cấp bởi Công ty CP Công nghiệp – Thƣơng mại Masan tại thành phố Hồ Chí Minh.
2.1.1.2. Đậu phộng tƣơi
Chúng tôi sử dụng giống đậu phộng VD1 trồng ở Tây Ninh và đƣợc mua từ Viện nghiên cứu dầu và cây có dầu Tp. Hồ Chí Minh.
2.1.2.Phƣơng pháp nghiên cứu
Nội dung: Phân tích thành phần hóa học (protein, lipid, tro, carbohydrate, độ ẩm) của khô đậu phộng do Công ty CP Công nghiệp – Thƣơng mại Massan (đƣợc kí hiệu là nguyên liệu A) và bột đậu phộng tách béo trong phòng thí nghiệm từ hạt đậu phộng tƣơi (đƣợc kí hiệu là nguyên liệu B).
2.1.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu đậu phộng tách béo:
- Nguyên liệu A
Bột khô dầu đậu phộng đƣợc chuẩn bị theo quy trình sau:
Hình 2.1:Quy trình chuẩn bị nguyên liệu A
Nghiền
Rây
Bảoquản
A
-47-
Bánh khô dầu đậu phộng đƣợc xay nhuyễn thành bột mịn, qua rây có kích thƣớc lỗ rây 355 μm, bảo quản trong túi kín ở 4oC cho đến khi thí nghiệm.
- Nguyên liệu B
Qui trình chuẩn bị nguyên liệu B ở hình 2.2.Đậu phộng đƣợc mua từ Viện nghiên cứu dầu và cây có dầu ở dạng hạt nguyên vỏ. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2.2:Quy trình chuẩn bị nguyên liệu B
Táchvỏlụa Nghiền Tríchlybéo Nghiền Rây Bảoquản Đậuphộngnhâ n B Dung dịchNaOH 0.5% Petroleum ether Sấy
-48-
Chúng tôi sử dụng quy trình tách béo bằng petroleum ether trong thiết bị Soxhlet với các thông số kỹ thuật nhƣ sau:
- Xử lý hạt đậu phộng bằng dung dịch NaOH 0,5% trong 2 phút để tách vỏ lụa. - Sấy ở nhiệt độ 55 oC trong tủ sấy đến hàm ẩm của hạt khoảng 7%.
- Nghiền trƣớc khi trích ly dầu: bột nghiền phải qua lỗ rây 355 μm.
- Tách béo trong thiết bị Soxhlet, dung môi petroleum ether, nhiệt độ 30- 60oC.Đến khi hàm lƣợng dầu còn sót nhỏ hơn 2% (thời gian tách béo kéo dài khoảng 12h), sau đó làm khô mẫu trong tủ Hotte.
- Nghiền bán thành phẩm sau khi tách béo: bột nghiền phải qua lỗ rây 355 μm. - Bảo quản mẫu ở 0-4oC (ngăn mát tủ lạnh) đến khi sử dụng.
Các mẫu nguyên liệu đƣợc đem phân tích để xác định các chỉ tiêu: protein, lipid, tro, carbohydrate, độ ẩm.
2.1.3.Nội dung cần đạt
Trên cơ sở các số liệu thu đƣợc từ hai loại nguyên liệu A và B, chúng tôi sẽ đề xuất các tiêu chuẩn chọn nguyên liệu bột đậu phộng tách béo (DPF)cho qui trình sản xuất protein từ đậu phộng.
2.2.Khảo sát quá trình trích ly protein sử dụng kỹ thuật siêu âm
2.2.1.Nguyên liệu
Chúng tôi tiến hành nội dung nghiên cứu này với cả hai loại bột đậu phộng tách béo (nguyên liệu A và nguyên liệu B), từ đó lựa chọn nguyên liệu thích hợp cho các nội dung nghiên cứu tiếp theo.
2.2.2.Thiết bị
Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng thiết bị siêu âm dạng thanh Sonicator®, model VC 750.
-49-
Bảng 2.1:Thông số kỹ thuật của thiết bị siêu âm dạng thanh Sonicator®, model
VC750
Thông số Giá trị
Kích thƣớc 216x483x267 mm
Công suất tối đa 750 W
Tần số siêu âm 20 kHz
Đƣờng kính thanh tiêu chuẩn 12,7 mm
2.2.3.Phƣơng pháp
2.2.3.1. Quy trình trích ly protein từ DPF bằng sóng siêu âm
Chúng tôi tiến hành quá trình trích ly protein từ DPF bằng sóng siêu âm theo sơ đồ ở hình 2.3.
Hình 2.3:Quy trình trích ly protein sử dụng sóng siêu âm
Trên cơ sở những nghiên cứu đi trƣớc về quá trình trích ly protein từ nguyên liệu thực vật và cụ thể là đậu phộng (Poms và cộng sự, 2004; Yu và cộng sự, 2007; Kain và cộng sự, 2009; Ma và cộng sự, 2010), sau khi xử lý nguyên liệu bằng siêu âm hoặc/và enzyme, huyền phù đƣợc chỉnh đến giá trị pH 9 trong thời gian 5 phút để đạt hiệu quả
Xửlýsóngsiêuâm Bộtkhôdầuđậuphộng Phốitrộn Ly tâm Địnhlƣợng protein tổng Nƣớc Lỏng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
-50-
trích ly cao. Sau đó ly tâm ở chế độ 3000g trong 20 phút ở 15o
C để thu dịch trích và tiến hành định lƣợng protein tổng. Quá trình trích ly đƣợc thực hiện trong becher 250 mL với 100 mL huyền phù. Nhiệt độ mẫu trong quá trình xử lý siêu âm đƣợc giữ ổn định bằng cách đặt becher chứa mẫu trong bể nƣớc và điều chỉnh nhiệt độ bằng nƣớc đá 0-2oC.
Để tối ƣu hóa quá trình trích ly protein có sử dụng sóng siêu âm, chúng tôi tiến hành khảo sát ảnh hƣởng của tỷ lệ nguyênliệu/dung môi, cƣờng độ siêu âm, pH dịch trong quá trình xử lý siêu âm, nhiệt độ siêu âm và thời gian xử lý siêu âm đến khả năng trích ly protein (Hình 2.4).
Hình 2.4:Sơ đồ nghiên cứu quá trình trích ly protein bằng sóng siêu âm
2.2.3.2. Khảo sát quá trình trích ly protein từ nguyên liệu A
Thí nghiệm 1: Khảo sát ảnh hƣởng của tỷ lệ bột/nƣớc đến khả năng trích ly protein.
- Mục đích thí nghiệm: xác định qui luật ảnh hƣởng của tỷ lệ bột/nƣớc đến hiệu suất trích ly protein từ khô dầu đậu phộng và bột đậu phộng tách béo.
Khảosátcácthôngsốcủaquátrìnhxửlýbằngsóngsiêuâm Khảosát pH dịchkhisiêu âm Khảosátnhi ệtđộsiêuâm Khảosátcƣ ờngđộsiêuâ m Khảosáttỷl ệbột/nƣớc Khảosátthờ igiansiêuâ m Xácđịnhsuấthiệutríchl y protein
-51- - Thông số cố định:
- Cƣờng độ siêu âm: 3,75 W/mL. - pH: 6,5.
- Tần số siêu âm 20KHz. - Nhiệt độ siêu âm: T = 30oC. - Thời gian siêu âm: 10 phút.
- Thông số thay đổi: tỷ lệ bột/nƣớc trong các mẫu thí nghiệm có qua sóng siêu âm lần lƣợt là 1/25, 1/20, 1/15, 1/10.
- Hàm mục tiêu: hiệu suất trích ly protein.