Công thức (1) đƣợc áp dụng để tính hiệu suất thu hồi protein trong quá trình phân riêng protein bằng membrane.
(1)
Trong đó :
- H: hiệu suất thu hồi (%)
- Cr, Co, Vr, Vo tƣơng ứng lần lƣợt là nồng độ protein trong dòng retentate, nhập liệu và thể tích của dòng retentate và dòng nhập liệu.
Công thức (2) đƣợc áp dụng tính hiệu suất cho cả quy trình sản xuất chế phẩm protein.
(2)
2.8.5.Xử lý số liệu
Tất cả các thí nghiệm đƣợc lặp lại ba lần để kiểm tra sự khác biệt có ý nghĩa thống kê hay không theo phƣơng pháp phân tích phƣơng sai ANOVA một yếu tố (One-Way ANOVA). Kết quả đƣợc thể hiện dƣới dạng: Giá trị trung bình Độ lệch chuẩn.
Riêng đối với thí nghiệm tối ƣu hóa bằng phƣơng pháp qui hoạch thực nghiệm, chúng tôi sử dụng mô hình bậc hai (2 yếu tố) với cấu trúc có tâm bằng phƣơng pháp RSM (Response surface methodology).Chúng tôi sử dụng phần mềm Modde 5.0 để thiết kế và xử lý số liệu cho mô hình này.
-69-
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1.Khảo sát thành phần bột đậu phộng tách béo
Nguồn đậu phộng đã tách béo thu đƣợc sau quá trình tách béo trong công nghiệp chế biến dầu ăn là một nguồn nguyên liệu tiềm năng cho việc thu nhận protein. Hai nguồn nguyên liệu khô dầu đậu phộng thƣơng phẩm và bột đậu phộng tách béo chuẩn bị từ đậu phộng nhân tại phòng thí nghiệm đƣợc khảo sátcác thành phần chính: protein, lipid, tro, độẩm.
Bảng 3.1:Thành phần hóa học (% w/w) của nguyên liệu bột đậu phộng
Thành phần Nguyên liệu
Bột nguyên liệu A Bột nguyên liệu B
Protein(N x 5,47) 44,94 0,25 49,45 ± 0,17
Lipid 1,76 0,17 1,79 ± 0,33
Tro 6,55 0,10 4,68 ± 0,14
Ẩm 11,08 0,27 7,88 ± 0,69
Thành phần khác 35,60 0,67 36,2 ± 0,51
Bảng 3.1 cho thấy hàm lƣợng protein, lipid, tro và ẩm của hai loại bột đậu phộng tách béo (nguyên liệu A và nguyên liệu B).Các số liệu về thành phần protein tổng và lipid cho thấy nguyên liệu này thích hợp để sản xuất chế phẩm giàu protein.Thành phần khô dầu đậu phộng nhƣ trên phù hợp với các nghiên cứu củaBasha và Pancholy (1982); USDA – NAL (2005), trong đóhàm lƣợng protein là 42 – 55%; hàm lƣợng béo < 8%.
S.Jung (2006) cho rằng việc trích ly protein từ đậu nành bằng enzyme đạt hiệu quả thì hàm lƣợng lipid còn sót không đƣợc quá 2%. Tuy nhiên một số nhà khoa học vẫn tiến hành trích ly protein bằng sóng siêu âm khi hàm lƣợng lipid còn sót đến 17%.
Nguyên liệu bột đậu phộng tách béo sử dụng trong nghiên cứu này mặc dù đã đƣợc nghiền đến kích thƣớc không vƣợt quá 355 m nhƣng chƣa thể phá vỡ toàn bộ cấu trúc thành tế bào để quá trình hòa tan và khuếch tán protein hiệu quả. Trong phần nghiên cứu này, chúng tôi thực hiện quá trình trích ly protein có sử dụng kỹ thuật siêu âm để hỗ trợ phá hủy thành tế bào.
-70-
Chúng tôi khảo sát ảnh hƣởng của các thông số liên quan đến môi trƣờng trích ly nhƣ tỷ lệ nguyênliệu/dung môi, pH, nhiệt độ và các thông số siêu âm nhƣ cƣờng độ siêu âm và thời gian xử lý siêu âm đến hiệu suất trích ly protein đậu phộng.
3.2.Quá trình trích ly protein đậu phộng bằng sóng siêu âm
3.2.1.Quá trình trích ly protein từ nguyên liệu A
3.2.1.1. Ảnh hƣởng của tỷ lệ nguyênliệu/dung môi
Tỷ lệ dịch bột/nƣớc ảnh hƣởng lớn đến khả năng trích ly protein từ khô dầu đậu phộng. Khảo sát ảnh hƣởng của tỷ lệ bột/nƣớc đến hiệu suất trích ly protein trong điều kiện sử dụng sóng siêu âm ở cƣờng độ 3,75W/mL trong 10 phút cho thấy khi giảm tỷ lệ bột/nƣớc từ 1/10 xuống 1/25 thì hiệu suất trích ly protein đạt giá trị cao nhất là 44,72% với tỷ lệ bột/nƣớc ở tỷ lệ 1/15. Sự hình thành bong bóng trong quá trình xử lý siêu âm phụ thuộc vào độ nhớt của hệ huyền phù. Các bong bóng sẽ khó vỡ trong môi trƣờng có độ nhớt cao. Ngoài ra độ nhớt cao làm chậm sự khuếch tán của chất chiết từ nguyên liệu vào dung môi do đó tác dụng của sóng siêu âm lên nguyên liệu không đƣợc đồng đều dẫn đến hàm lƣợng protein hòa tan trong dịch trích sẽ ít hơn.
Bảng 3.2:Ảnh hưởng của tỷ lệ bột/nước đến hàm lượng và hiệu suất trích ly (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
protein
Tỷ lệ bột/nƣớc
Hàm lƣợng protein trong dịch trích (%) Hiệu suất trích ly protein (%)
1/10 18,28a(*) 0,44 40,66a 0,98 1/15 20,10b
0,25 44,72b 0,55
1/20 19,71b 0,33 43,85b 0,73 1/25 18,89a 0,41 42,03a 0,92
(*)Các chỉ số khác nhau trong cùng một cột hiển thị sự khác biệt có ý nghĩa (p < 0,05)
3.2.1.2. Ảnh hƣởng của cƣờng độ siêu âm
Khi khảo sát ảnh hƣởng của cƣờng độ siêu âm đến hiệu suất trích ly ở nhiệt độ phòng (30oC), trong điều kiện tỷ lệ bột/nƣớc là 1/15, pH trƣớc siêu âm là 9 và thời gian siêu âm 10 phút thì cƣờng độ siêu âm 3,75W/mL và 5,00W/mL cho hiệu suất trích ly protein cao nhất (43,43%và 44,75%). Hai cƣờng độ siêu âm này không tạo khác biệt đáng kể trong việc hỗ trợ trích ly, tuy nhiên xử lý siêu âm ở cƣờng độ này làm cho hiệu suất trích ly protein tăng đáng kể so với không sử dụng sóng siêu âm (khoảng 23%). Dƣới tác dụng của sóng siêu âm trong môi trƣờng lỏng sẽ tạo ra sự sủi bong bóng. Khi các bong bóng này bị vỡ sẽ tạo lực cắt, cắt các liên kết giữa protein và
-71-
các polysaccharide (cellulose, hemicellulose...) làm các acid amin háo nƣớc đƣợc tiếp xúc với môi trƣờng nƣớc xung quanh (Morel – Etal, 2000, Moulton và Wang 1982). Điều này làm tăng khả năng hòa tan của protein nguyên liệu vào dịch trích.
Hình 3.1:Ảnh hưởng của cường độ siêu âm đến hiệu suất trích ly protein đậu phộng
từ nguyên liệu DPF thương mại
3.2.1.3. Ảnh hƣởng của pH
Ảnh hƣởng của pH của huyền phù đến hiệu suất trích ly protein đƣợc trình bày trong hình 3.2, pH làm tăng khả năng hòa tan của protein là do khi hòa tan, protein tạo thành dung dịch keo. Tính chất này có đƣợc do trên bề mặt protein có các nhóm phân cực, các phân tử nƣớc sẽ tạo thành lớp vỏ hydrate bao quanh phân tử protein giúp protein có khả năng tan trong nƣớc (Jianmei Yu và cộng sự, 2007). Tuy nhiên, khi tăng pH của huyền phù từ pH 7 đến pH 10 thì hàm lƣợng protein và hiệu suất trích ly protein càng giảm do: pH kiềm làm tăng độ nhớt của môi trƣờng đƣợc chỉnh, có thể là do bản thân dung dịch kiềm chỉnh pH là một dung dịch có độ nhớt cao nên làm tăng độ nhớt của môi trƣờng đƣợc chỉnh. Mặt khác, khi thêm dung dịch kiềm vào môi trƣờng, làm tăng số ion âm và ion dƣơng dẫn đến làm tăng lực liên kết giữa các phân tử trong môi trƣờng, điều này là nguyên nhân tăng lực ma sát giữa các phân tử trong môi trƣờng do đó độ nhớt của môi trƣờng tăng lên. Độ nhớt của môi trƣờng bị tác động bởi sóng siêu âm là một yếu tố quan trọng ảnh hƣởng đến hiện tƣợng sủi bong bóng, các
Hiệu suất
trích l
y pro
tein (%)
-72-
bong bóng khó hình thành trong môi trƣờng có độ nhớt cao. Vậy chỉnh pH trƣớc siêu âm càng cao, càng làm tăng độ nhớt của dung dịch nên đã ức chế tác động của sóng siêu và làm giảm đáng kể hàm lƣợng protein trong dịch trích (Jianmei Yu và cộng sự, 2007).pH dịch duyền phù trƣớc siêu âm là 7 tạo hiệu suất trích ly cao nhất so với các pH khác (47,58%). Hi ệu su ất t rích l y p rot ein ( %) pH
Hình 3.2:Ảnh hưởng của pH trước siêu âm đến hiệu suất trích ly protein
3.2.1.4. Ảnh hƣởng của nhiệt độ siêu âm
Khi tăng nhiệt độ thì độ nhớt của dung dịch giảm, sự hình thành bong bóng và sự phá vỡ bong bóng trong quá trình xử lý siêu âm đƣợc thúc đẩy, gây tác động va đập làm phá vỡ cấu trúc nguyên liệu và tăng cƣờng sự khuếch tán giữa các cấu tử trong dịch với nhau giúp cho hiệu quả trích ly protein đƣợc tăng lên do đó tồn tại một giá trị nhiệt độ thích hợp. Hình 3.3 cho thấy, khi tăng nhiệt độ từ 30oC đến 50oC thì hàm lƣợng protein thu đƣợc và hiệu suất trích ly protein cũng tăng lên. Hàm lƣợng protein thu đƣợc tăng từ 21,24% – 24,27% và hiệu suất trích ly protein tăng từ 47,26% – 53,99%. Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng nhiệt độ lên 60oC thì hàm lƣợng protein và hiệu suất trích ly protein trong dịch không tăng lên mà còn giảm đáng kể so với mẫu đƣợc xử lý ở 50oC. Nhiệt độ tăng cao đã làm giảm sức căng bề mặt và tăng áp suất hơi trong bong bóng làm cho hiện tƣợng vỡ bong bóng bị hạn chế (Zhao và cộng sự, 2007). Từ
-73-
đó, khả năng phá hủy cấu trúc của nguyên liệu và tốc độ truyền khối sẽ giảm đi dẫn đến hàm lƣợng protein hòa tan khi nhiệt độ siêu âm tăng quá cao sẽ bị giảm xuống. Nhiệt độ dịch cao sẽ làm biến tính protein gây cản trở quá trình trích ly protein làm hiệu suất thu hồi protein giảm. Dƣới tác dụng của nhiệt độ cao protein bị giãn mạch, kết tụ lại với nhau làm giảm khả năng hòa tan của protein trong dịch trích.
Hi ệu su ất t rích l y p rot ein ( %) Nhiệt độ (o C)
Hình 3.3:Ảnh hưởng của nhiệt độ siêu âm đến hiệu suất trích ly protein
3.2.1.5. Ảnh hƣởng của thời gian siêu âm (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sóng siêu âm làm phá vỡ tế bào của nguyên liệu, làm tăng khả năng hòa tan của protein trong dịch trích do đó cần có thời gian để việc phá vỡ tế bào này xảy ra, thời gian càng dài thì lƣợng tế bào bị phá vỡ càng nhiều. Tuy nhiên, thời gian quá dài có thể sẽ làm protein biến tính dƣới tác dụng của sóng siêu âm khi ở nhiệt độ 50oC. Thực nghiệm cho thấy hiệu suất trích ly protein tăng lên khi ở mức thời gian xử lý siêu âm 5 phút và 10 phút (tƣơng ứng là 43,52% – 53,08%) (Hình 3.4). Khi tăng thời gian xử lý siêu âm lên 15 phút thì hiệu suất trích ly protein lại giảm xuống (46,7%). Kết quả nghiên cứu này cũng rất phù hợp với nghiên cứu của Mason và Zhao (1994) khi cho rằng sóng siêu âm có tác dụng trích ly trong 10 phút đầu của thời gian xử lý.
-74- Hi ệu su ất t rích l y p rot ein ( %) Thời gian (pH)
Hình 3.4:Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến hiệu suất trích ly protein
Các thông số tối ƣu cho quá trình trích ly protein từ khô dầu đậu phộng bằng kỹ thuật siêu âm tại tần số 20 kHz - cƣờng độ 3,75W/mL, tỷ lệ bột/nƣớc = 1/15 (w/v), thực hiện xử lý siêu âm tại nhiệt độ 50oC, thời gian xử lý là 10 phút và pH 7. Sau khi siêu âm dung dịch đƣợc chỉnh pH lên 9 và đem ly tâm thì hiệu suất thu hồi protein khoảng 53,5% (với mẫu đối chứng có hiệu suất trích ly là 36,11%).
3.2.2.Quá trình trích ly protein từ nguyên liệu B
3.2.2.1. Ảnh hƣởng của tỷ lệ nguyênliệu/dung môi
Trong thí nghiệm này, chúng tôi thực hiện các nghiệm thức có tỷ lệ nguyênliệu/dung môi (w/v) thay đổi từ 1/25 đến 1/5, các thông số khác đƣợc giữ cố định.
Kết quả về sự thay đổi hiệu suất trích ly protein theo tỷ lệ nguyênliệu/dung môi đƣợc trình bày trong hình 3.5. Khi giảm tỷ lệ nguyênliệu/dung môi trong khoảng từ 1/5 đến 1/20 thì hiệu suất trích ly protein tăng lên. Nếu tiếp tục giảm tỷ lệ nguyênliệu/dung môi hơn nữa (1/25) thì hiệu suất trích ly không tăng thêm nữa (kết quả ở hai tỷ lệ 1/20 và 1/25 khác nhau không có ý nghĩa thống kê).
-75-
Hình 3.5:Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu/dung môi đến hiệu suất trích ly protein
đậu phộng
Trƣớc đây, Yu và cộng sự (2007) đã trích ly protein đậu phộng bằng dung môi kiềm trong điều kiện có khuấy trộn cơ học trong thời gian 1 giờ để sản xuất PPC.Để sản xuất PPI, Kain và cộng sự (2009) cũng đã trích ly protein đậu phộng trong môi trƣờng kiềm với thời gian 1 giờ.Nhƣ vậy, 1 giờ đƣợc xem là thời gian tối thiểu để quá trình trích ly protein đậu phộng đạt hiệu suất trích ly cao (80-85%). Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành trích ly có sử dụng sóng siêu âm chỉ trong 15 phút, sau đó chỉnh pH huyền phù bột đậu về pH 9 trong 5 phút rồi ly tâm để thu dịch trích. Thời gian trích ly rút ngắn giúp tiết kiệm chi phí mà hiệu quả trích ly không kém các nghiên cứu đi trƣớc.Nhƣ vậy, sóng siêu âm đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình trích ly nhờ các cơ chế tác động của nó.
Sóng siêu âm hỗ trợ quá trình trích ly protein trong dịch huyền phù của bột đậu phộng tách béo chủ yếu là do hiện tƣợng sủi bong bóng. Sự sủi bong bóng xảy ra càng mãnh liệt thì quá trình trích ly càng hiệu quả. Sự sủi bong bóng làm cho những tia nƣớc nhỏ va đập vào bề mặt nguyên liệu, làm vỡ tế bào, làm lộ ra các protein, các liên kết háo nƣớc tạo điều kiện để dung môi thấm sâu vào bên trong tế bào do đó làm tăng hiệu quả trích ly. Siêu âm cƣờng độ cao (tần số 20 kHz) làm tăng khả năng hòa tan của protein do làm thay đổi cấu trúc và hình thể của protein, làm lộ các acid amin ái nƣớc và tăng sự hydrate hóa (Moulton và Wang, 1982; Morel và cộng sự, 2000).
-76-
Động lực của quá trình trích ly là do chênh lệch gradient nồng độ giữa hai pha rắn và lỏng. Khi chênh lệch nồng độ lớn tức khi giảm tỷ lệ nguyênliệu/dung môi (tăng lƣợng dung môi sử dụng) thì lƣợng chất trích ly tăng, thời gian trích ly giảm. Tuy nhiên, nếu lƣợng dung môi sử dụng quá lớn thì sẽ làm loãng dịch trích, khi đó cần phải cô đặc hoặc xử lý dịch trích bằng phƣơng pháp khác để tách bớt dung môi.Trong quá trình trích ly gián đoạn một lần, càng nhiều nƣớc dùng để trích ly thì nồng độ protein trong chất chiết càng thấp và lƣợng protein còn sót lại trong bã càng thấp. Sự lựa chọn tỷ lệ chất rắn/chất lỏng thích hợp cho quá trình trích ly là cần thiết. Tỷ lệ rắn/lỏng đƣợc sử dụng trong công nghiệp dao động trong khoảng 1:5 – 1:20 (Lê Văn Việt Mẫn, 2009).
Khi tỷ lệ nguyên liệu/dung môi càng lớn tức huyền phù càng đặc thì hiệu quả tác động của sóng siêu âm lên huyền phù không đồng đều do không tạo đƣợc sự đối lƣu đồng đều và hiệu quả trích ly giảm. Điều này đƣợc chứng minh trong kết quả nghiên cứu của chúng tôi khi tỷ lệ nguyên liệu/dung môi là 1/5 thì hiệu suất trích ly khá thấp (72,6 0,3%). Hiệu suất trích ly protein sẽ tăng dần lên 76,1 0,7% và 80,5 1% khi giảm tỷ lệ nguyên liệu/dung môi xuống giá trị 1/10 và 1/15.
Hiệu suất trích ly cao nhất là 83,0 0,7% khi tỷ lệ nguyên liệu/dung môi giảm xuống 1/20. Kết quả này cũng tƣơng tự nhƣ kết quả của các nghiên cứu trƣớc đây khi trích ly protein từ bột đậu phộng tách béo không có sự hỗ trợ của sóng siêu âm. Theo Yu và cộng sự (2007), hiệu suất trích ly protein đậu phộng cao nhất khi tỷ lệ nguyên liệu/dung môi là 1/20.
Chúng tôi chọn tỷ lệ 1/20 để trích ly protein từ bột đậu phộng tách béo trong các thí nghiệm tiếp theo.
3.2.2.2. Ảnh hƣởng của cƣờng độ siêu âm
Chúng tôi sử dụng thiết bị siêu âm dạng thanh và tiến hành khảo sát ảnh hƣởng của cƣờng độ siêu âm đến hiệu suất trích ly protein. Cƣờng độ siêu âm đƣợc thay đổi lần lƣợt là 0; 1,5; 2,25 và 3 W/mL (tƣơng ứng với 0, 30, 45 và 60 W/g chất khô nguyên liệu). Kết quả (hình 3.6) cho thấy rằng tất cả các nghiệm thức đƣợc xử lý siêu âm có hiệu suất trích ly protein khác nhau không có ý nghĩa thống kê (83,2±0,6 % 83±0,8 %) và luôn cao hơn so với mẫu đối chứng (77,2±0,5 %).
-77-
Sự phá vỡ cấu trúc tế bào do sóng siêu âm bị ảnh hƣởng bởi nhiều yếu tố mà trong đó cƣờng độ siêu âm là một trong những yếu tố quyết định.
Theo kết quả nghiên cứu của Karki và cộng sự (2010) thì hiệu suất trích ly protein đậu nành tăng dần trong khoảng cƣờng độ siêu âm từ 0,3 W/mL đến 2,56 W/mL (tƣơng ứng từ 1,54 W/g chất khô đến 12,8 W/g chất khô, với tỷ lệ bột/nƣớc là 1/10) trong bể siêu âm. Nhƣ vậy, cƣờng độ siêu âm sử dụng trong thí nghiệm của chúng tôi là cao hơn nhiều so với thí nghiệm của Karki và cộng sự (2010). Có lẽ đây là nguyên nhân vì sao khi tăng cƣờng độ siêu âm trong khoảng khảo sát đã không thể làm tăng thêm hiệu suất trich ly protein.
Hình 3.6:Ảnh hưởng của cường độ siêu âm đến hiệu suất trích ly protein
Chúng tôi không thể thực hiện thí nghiệm với cƣờng độ siêu âm thấp nhƣ trong thí nghiệm của Karki và cộng sự (2010) do các thông số của thiết bị siêu âm là khác nhau. Ngoài ra, sự khác biệt về kết quả của hai nghiên cứu còn có thể là do đặc điểm nguyên liệu khác nhau và tỷ lệ nguyênliệu/dung môi khác nhau.
Nhƣ vậy, xét về hiệu quả kỹ thuật và kinh tế, chúng tôi chọn cƣờng độ siêu âm là 1,5 W/mLđể thực hiện cho các thí nghiệm tiếp theo.
3.2.2.3. Ảnh hƣởng của pH
Trong thí nghiệm này, chúng tôi khảo sát ảnh hƣởng của pH dịch huyền phù trong quá trình xử lý siêu âm đến hiệu suất trích ly protein. Giá trị pH đƣợc thay đổi từ 7 đến 10, tỷ lệ nguyênliệu/dung môi là 1/20 và cƣờng độ siêu âm là 1,5 W/mL.
-78-
Kết quả về sự thay đổi hiệu suất trích ly protein theo pH dịch trong quá trình xử lý siêu âm đƣợc thể hiện ở hình 3.7. Trong thí nghiệm này, pH của dịch huyền phù ban đầu là 6,9 (gần trung tính). Thực tế khi tiến hành thí nghiệm lặp lại nhiều lần chúng tôi nhận thấy hiệu suất trích ly trong hai trƣờng hợp pH 6,9 và pH 7 đều khác nhau không có ý nghĩa thống kê. Do đó, chúng tôi bỏ qua trƣờng hợp nghiệm thức có giá trị pH tự nhiên. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Kết quả cho thấy pH có ảnh hƣởng đến hiệu quả trích ly protein của sóng siêu âm. Khi pH tăng dần thì hiệu suất trích ly protein giảm dần. Khi pH ở giá trị pH 7 thì hiệu suất trích ly protein là cao nhất (83,1 0,5%). Hiệu suất giảm dần khi pH tăng đến