Ứng dụng protein concentrate và protein isolate trong CNCB thịt và các sản phẩm từ thịt

Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh Trường Đại Học Bách Khoa Khoa Kỹ Thuật Hóa Học BM CNCB Thịt và Thủy Sản ********* GVHD : ThS. Nguyễn Thị Hiền SVTH : HC06TP Tháng 06/2011 Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ PROTEIN ISOLATE và CONCENTRATE 1.1 Định nghĩa 1.2 Soy protein và whey protein 1.3 Tính chất chức năng 1.1 Định nghĩa Protein concentrate (PC): được sản xuất từ nguồn nguyên liệu giàu protein, đã loại đi phần lớn các tạp chất phi protein và sản phẩm thông thường chứa tối thiểu từ 65% protein trở lên (tính trên hàm lượng chất khô). Protein isolate (PI): là sản phẩm protein đã qua tinh chế. PI cũng được sản xuất từ nguồn nguyên liệu giàu protein, nhưng đã được loại đi gần như toàn bộ các tạp chất phi protein, sản phẩm chứa tối thiểu từ 90% protein trở lên. 1.2 Soy protein và whey protein Nhìn chung, tất cả các nguyên liệu giàu protein đều có thể dúng để sản xuất PI và PC. Tuy nhiên, khi đứng dưới góc độ giá trị dinh dưỡng và kinh tế thì hai nguồn nguyên liệu tốt nhất là : whey protein (protein huyết thanh sữa) và soy protein (protein đậu nành). Do đó, trên thị trường các loại PI và PC này thường chiếm ưu thế. Đi vào cụ thể từng chế phẩm, mỗi loại chế phẩm lại có một định nghĩa riêng, và có đôi chỗ không thống nhất giữa các nguồn nguyên liệu khác nhau : Soy protein Đối với soy protein concentrate (SPC), theo định nghĩa của Association of American Feed Control Officals, Inc. (AAFOC) thì SFC được sản xuất từ hạt đậu nành đã bóc vỏ, tách gần hết dầu và các cấu tử tan trong nước phi protein, và phải chứa tối thiểu 65% protein (N×6.25) trên hàm lượng chất khô.

Soy protein isolate (SPI): là chế phẩm soy protein tinh luyện có chất lượng cao nhất trên thị trường. SPI được sản xuất từ hạt đậu nành đã tách vỏ và dầu bằng cách loại bỏ gần như hoàn toàn các thành phần phi protein. Chúng có chứa tối thiểu 90% protein (N×6.25) tính trên hàm lượng chất khô.

Bảng 1: Thành phần của các chế phẩm Soy protein (Nguồn: Ioseph G. Endres, Soy protein products: Characteristics, Nutritional Aspects, and Utilization, The Endres Group., Inc, Fort Wayne, Indiana, 2001) Thành phần  Concentrate  Isolate    % nguyên liệu  % chất khô  % nguyên liệu  % chất khô   Protein  62-69  65-72  86-87  90-92   Chất béo  0.5-1.0  0.5-1.0  0.5-1.0  0.5-1.0   Xơ hòa tan  2-5  2.1-5.9  <0.2  <0.2   Xơ không tan  13-18  13.5-20.2  <0.2  <0.2   Tro  3.8-6.2  4.0-6.5  3.8-4.8  4.0-5.0   Độ ẩm  4-6  0  4-6  0   Carbohydrate  19-21  20-22  3-4  3-4   Whey protein Whey protein là hỗn hợp protein bậc 4 được phân lập từ nước whey, sản phẩm phụ của quy trình sản xuất phô mai. Các thành phần tiêu biểu của whey protein là beta-lactoglobulin (~ 65%), alpha-lactalbumin (~ 25%) và serum albumin (~ 8%). Đối với whey protein concentrate (WPC), sản phẩm lại được cho phép có khoảng nồng độ protein dao động khá rộng từ 25% - 89% tổng khối lượng chất khô. Nó có chứa lactose, chất béo và một vài loại khoáng. Các dạng sản phẩm WPC có trên thị trường như: WPC34, WPC50, WPC60, WPC75, WPC80, trong đó hai chữ số cuối dùng để biểu thị giá trị nồng độ protein.

Whey protein isolate (WPI) là sản phẩm whey protein tinh khiết nhất, có chứa từ 90-95% protein, nó chứa rất ít chất béo hay đường lactose.

1.3 Tính chất chức năng (tính năng công nghệ) Trong quá trình sản xuất PC và PI, điều quan trọng nhất là không làm giảm đi các tính chất chức năng của protein trong nguyên liệu ban đầu. Do đó các phương pháp sản xuất cũng như các thông số quá trình cần được chọn lọc và kiểm soát nghiêm ngặt nhằm hạn chế tối đa việc làm biến tính protein. Nhiều nghiên cứu đã hướng đến việc ứng dụng kĩ thuật mới, hiện đại, điều kiện vận hành ôn hòa để thu được sản phẩm chất lượng cao. Với những tính chất chức năng quan trọng, PC và PI ngày càng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm, thể hiện những tính năng công nghệ như : Khả năng hòa tan trong nước và giữ nước Khả năng hòa tan là điều kiện hàng đầu đối với một protein để đóng vai trò là thành phần chức năng trong thực phẩm. Tính tan tốt của PC và PI được sử dụng để bổ sung vào các loại thức uống giàu năng lượng cũng như một số thực phẩm dạng lỏng. Bên cạnh tính tan, PC và PI có khả năng liên kết với nước và giữ nước. Hàm lượng protein cao trong PC và PI cũng đồng nghĩa với khả năng liên kết và giữ nước cao (do chứa nhiều nhóm carboxyl và amino ái nước), chúng được sử dụng như là các tác nhân giữ nước, ổn định cấu trúc, ngăn chảy dịch và góp phần làm tăng khối lượng, tăng giá trị kinh tế trong các sản phẩm thịt (xúc xích, jambon, giò lụa ...), bánh mì, bánh nướng ... Cơ chế của mối tương tác Protein-Nước Đặc tính của mối tương tác protein-nước và protein-protein sẽ xác định chức năng của protein trong thực phẩm ở các dạng như: gel, chất kết tủa, hay hệ phân tán keo. Để tiên đoán sự liên kết của nước với protein, các nhà nghiên cứu đã cố gắng xác định số lượng các phân tử nước liên kết với một phân tử protein. Sự liên kết này phụ thuộc vào thành phần và cấu tạo của phân tử protein. Nước tương tác với protein theo một số cách, và một lượng nước đáng kể liên kết với protein được giữ lại qua các liên kết hydro. Liên kết giữa nước và protein có liên quan đến các nhóm ái nước có cực như nhóm imino, nhóm amino, carboxyl, hydroxyl, carbonyl, và nhóm sulfhydryl. Khả năng giữ ẩm của protein phụ thuộc vào loại và số lượng của các nhóm có cực trong chuỗi polypeptide protein. Sự liên kết của nước phụ thuộc vào tính chất lưỡng cực của nước. Protein có chứa nhiều amino acid tích điện sẽ có khuynh hướng liên kết với một lượng lớn nước. Sự liên kết của nước với các loại protein có thể được dự đoán từ thành phần amino acid của chúng. Những chuỗi protein cấu thành bởi các amino acid không có cực như alanine và valine liên kết với một phân tử nước. Trong khi đó, các chuỗi có cực liên kết với 2 hay 3 phân tử nước, và các chuỗi ion hóa (aspartic acid, glutamic acid và lysine) liên kết với 4
7 phân tử nước/phân tử amino acid. Amino acid được phân loại dựa vào khả năng liên kết với các phân tử nước Các amino acid có cực với khả năng liên kết cao nhất Các amino acid không ion hóa, khả năng kiến kết trung bình Các nhóm kị nước, ít hoặc không liên kết với nước. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự liên kết nước của protein Sự liên kết nước của protein ảnh hưởng bởi nồng độ protein, pH, lực ion, nhiệt độ, sự có mặt của các thành phần khác có trong thực phẩm như polysaccharide ưa nước, chất béo và muối, tốc độ và thời gian xử lý nhiệt, điều kiện bảo quản. Nồng độ protein Sự hấp phụ nước có thể được quy cho thành phần protein của sản phẩm và độ nhớt, gia tăng theo hàm mũ khi nồng độ protein tăng lên. Sự hấp phụ nước của protein gia tăng khi nồng độ protein tăng. Lượng nước được protein giữ lại phụ thuộc vào thành phần amino acid, đặc biệt là số lượng các nhóm có cực lộ ra cho các liên kết với nước, cấu trúc của protein, tính không ưa nước của bề mặt và lịch sử quá trình sản xuất. Các điều kiện chế biến thực phẩm thúc đẩy sự tương tác của protein với các thành phần khác của thực phẩm như lipid, carbohydrate và nước. Protein động vật có khả năng giữ nước cao hơn so với các protein thực vật, bởi chúng có chứa một lượng lớn nitơ amin hơn. pH Sự giữ nước bị ảnh hưởng lớn bởi pH, thấp nhất trong vùng đẳng điện tại đó protein không tích điện và tương tác protein-protein là lớn nhất. Thay đổi pH của dung dịch protein gây ra sự thay đổi các nhóm tích điện trên phân tử protein, tác động đến cấu trúc của nó. Do đó, với sự gia tăng tính phân cực của protein, lượng nước liên kết cũng tăng lên. Thay đổi pH ảnh hưởng đến sự ion hóa của các nhóm amino acid. Lực ion Đặc điểm trương nở của SI, Na caseinate và WPC là hoàn toàn khác nhau. Lực ion có ảnh hưởng lớn đến khả năng trương nở của protein. Bổ sung muối ảnh hưởng đến khả năng giữ nước của protein bởi vì chúng có ảnh hưởng đến các mối tương tác tĩnh điện. Với nồng độ dung dịch muối lớn hơn 2.0M sẽ làm giảm nước liên kết vì ion sẽ cạnh tranh với các nhóm protein để liên kết với nước. Ở nồng độ dung dịch NaCl cao, quá trình dehydrate hóa protein sẽ xuất hiện do sự cạnh tranh liên kết với nước của chất tan và protein. Kết quả của sự khử lớp vỏ kép có tích điện xung quanh các phân tử protein là làm biến đổi cấu trúc của protein, giảm sự hydrat hóa và gây hiện tượng kết tủa. Nhiệt độ Nhiệt độ có ảnh hưởng đến sự hydrate hóa protein và khả năng giữ nước của nó trong suốt quá trình sản xuất thực phẩm. Khả năng giữ nước của protein thường giảm sút khi tăng nhiệt độ. Các phụ gia protein sản xuất cho mục đích thương mại khó tránh khỏi quá trình sử dụng nhiệt và biến tính. Do đó, sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng giữ nước của protein sẽ bị tác động bởi điều kiện của quá trình xử lý và nguồn gốc sản phẩm. Các chuỗi polypeptide lộ ra ngoài phụ thuộc vào sự biến tính và sự chuyển tiếp từ cấu trúc hình cầu sang các cấu trúc xoắn ngẫu nhiên của protein, kết quả làm giảm các nhóm amino acid có thể liên kết với nước. Khả năng tạo độ nhớt Khi protein hòa tan vào dung dịch, mỗi loại dung dịch của những protein khác nhau có độ nhớt khác nhau. Hệ số độ nhớt của phần lớn các hệ chất lỏng protein tăng theo lũy thừa cũng với sự tăng nồng độ protein do tăng các phản ứng giữa protein-protein. Do đó việc bổ sung các chế phẩm giàu protein như PC hay PI sẽ làm tăng độ nhớt, độ sệt và có ý nghĩa quan trọng đối với các thực phẩm lỏng như đồ uống, canh súp, nước sốt và kem. Khả năng tạo gel  Khả năng tạo gel là một tính chất rất quan trọng của nhiều hệ thống protein, đóng vai trò chủ yếu trong việc tạo cấu trúc cho một số sản phẩm thực phẩm như giò lụa, xúc xích, ... Khả năng tạo gel của protein chẳng những được sử dụng để tạo độ cứng, độ đàn hồi cho sản phẩm mà còn để cải thiện khả năng hấp thụ nước, tạo độ đặc, tạo lực liên kết giữa các tiểu phần cũng như làm bền các hệ nhũ tương và bọt. Quá trình tạo gel phụ thuộc vào sự hình thành mạng lưới protein bậc 3, kết quả của tương tác protein-protein và protein-dung môi (nước). Cả hai phân đoạn 7S và 11S đều cực kỳ phức tạp, bao gồm nhiều phân đoạn nhỏ có thể dễ dàng kết hợp cũng như phân rã phụ thuộc vào những kiều kiện khác nhau về pH, lực ion, và nhiệt độ xử lý. Nhiệt độ biến tính của 7S thấp hơn 11S. Gel tạo thành do biến tính nhiệt protein bao gồm 2 bước. Bước thứ nhất protein bị mất cấu trúc bậc 2 và 3 bất thuận nghịch. Sự tạo thành gel thật sự xuất hiện khi làm lạnh dung dịch protein phụ thuộc vào sự kết dính các tiểu phân đoạn protein mà từ đó tạo thành cấu trúc 3 chiều. Quá trình này bao gồm cả tương tác giữa các chuỗi protein với dung môi cũng như là giữa các chuỗi protein với nhau. Mạng lưới không gian được hình thành qua liên kết hydro, liên kết kỵ nước, tương tác tĩnh điện, và liên kết disulphide. (Nguồn : Network formation and viscoelastic properties of commercial soy protein dispersions: effect of heat treatment, pH and calcium ions) Protein 11S khác 7S ở chỗ nó tạo thành gel cứng hơn và nhạy cảm hơn với tác nhân làm mềm gel là acid phytic do chúng có chứa nhiều liên kết S-S. Protein 11S đông tụ nhanh hơn và hình thành được các khối đông lớn hơn. Gel 11S có khả năng giữ nước cao hơn gel 7S, sức căng lớn hơn, cứng hơn và nở ra nhiều hơn dưới tác dụng của nhiệt độ. Cũng tương tự như thế, màng film 11S có độ đàn hồi và sức căng lớn hơn. Tính chất chức năng của protein có thể được điều chỉnh nhờ tác động đồng thời nhiều tác nhân như pH và các phụ gia. (Nguồn : Differences in functional properties of 7S and 11S soybean proteins) Khả năng tạo gel của globulin 7S và 11S bị ảnh hưởng bởi các nhân tố như thành phần các phân đoạn, khả năng bị tác động cũng như khả năng phản ứng của nhóm –SH, tính kỵ nước của các phân tử. Cơ chế tạo gel của protein isolate bao gồm cả 7S và 11S phức tạp hơn rất nhiều so với sự hình thành gel từ một loại protein. Khả năng tạo gel cũng như các tính chất chức năng khác của soy protein thay đổi tùy thuộc vào các thông số công nghệ như nồng độ protein, nhiệt độ và thời gian gia nhiệt, lực ion, pH, sự có mặt và nồng độ của các tác nhân khử. Phản ứng giữa 7S và 11S, đặc biệt là liên kết giữa phân đoạn cơ bản của 11S và phân đoạn β của 7S đẫn đến sự hình thành các kết tủa tan là nhân tố quan trọng trong sự tạo gel của soy protein. Khi đó tỷ lệ 11S/7S và mức độ biến tính của protein là những thông số công nghệ quan trọng. (Nguồn: Heat induced gelling properties of soy protein isolates prepared from different defatted soybean flours) Các tính chất bề mặt Khả năng tạo nhũ: Protein thường được sử dụng như các chất hoạt động bề mặt, có khả năng làm bền hệ nhũ tương thực phẩm nhờ được hấp thụ lên bề mặt phân chia giữa các giọt dầu phân tán và pha nước liên tục, ngăn cản các giọt béo hợp nhất. Một số ứng dụng phổ biến là sử dụng PC và PI trong các sản phẩm thịt nhũ hóa, sốt, xúc xích... Các đặc điểm dùng để miêu tả tính chất nhũ hóa của protein Khả năng nhũ hóa (EC) : lượng dầu được nhũ hóa bởi 1g protein, phụ thuộc vào Khả năng tạo lớp mỏng hấp phụ xung quanh giọt cầu. Khả năng giảm sức căng bề mặt ở bề mặt nước-dầu. Sự ổn định nhũ tương (ES) : khả năng duy trì sự phân tán Hoạt tính nhũ hóa (EA) : diện tích bề mặt tối đa (cm2) trên 1g protein của hệ nhũ tương ổn định. Khả năng ổn định nhũ tương của protein chống lại sự liên kết là kết quả của ít nhất hai quá trình: sự hấp phụ của protein và sự hình thành của những lớp bề mặt chung có tính cơ lý vững chắc. Quá trình sau đóng vai trò chủ yếu trong sự ổn định nhũ tương, trong khi đó sự giảm sức căng bề mặt do sự hấp phụ có vẻ chỉ cần thiết cho sự tạo thành nhũ tương. Khả năng của những protein tương tác với lớp bề mặt ảnh hưởng đến sự tạo thành lớp hấp phụ cơ lý vững chắc, phụ thuộc vào sự ổn định cấu trúc của phân tử protein. Tính chất nhũ hóa của soy protein được mô tả bởi những điểm chính sau: nồng độ nhũ hóa tối thiểu (Cc), diện tích mặt phân cách riêng (Ssp), sự hấp phụ của protein lên mặt phân cách (A) và chiều dài của lớp hấp phụ bề mặt (
). Trong dung dịch không có muối, Cc cho globulin 11S cao hơn giá trị của globulin 7S và phân đoạn 2S. Bổ sung lượng nhỏ muối (0.1 mol/l NaCl) làm giảm đột ngột Cc của globulin 11S và các phân đoạn protein khác. Điều đó có thể suy rằng sự tạo thành nhũ tương dễ dàng hơn khi có mặt một lương muối nhỏ là do lớp màng tích điện của globulin 11S. Globulin 11S tạo lớp hấp phụ yếu hơn globulin 7S. Khả năng tạo nhũ và ổn định hệ nhũ tương của 7S nhìn chung cho giá trị cao hơn 11S trong khoảng pH từ 2-10. Hiện tượng tương tự cũng diễn ra với các phân đoạn 7S và 11S được thủy phân một phần bởi HCl. Khả năng nhũ hóa của protein bị đông tụ bởi acid và phân đoạn 7S cho giá trị thấp nhất quan pH 4.5, điều này có liên quan chặt chẽ tới tính tan của protein. Khả năng ổn định nhũ tương của 11S, tuy nhiên, lại cho giá trị thấp nhất tại pH quanh giá trị 7 và không tương ứng với tính tan. Lực phá vỡ hệ nhũ tương của 7S và 11S tăng khi tăng thể tích của pha dầu. Tuy nhiên, lực phá vỡ hệ nhũ tương của 7S bị ảnh hưởng rất ít bởi quá trình xử lý nhiệt protein trong khi lực phá vỡ hệ nhũ tương của 11S lại bị ảnh hưởng đáng kể. Lực phá vỡ hệ nhũ tương của 11S tăng đáng kể khi nồng độ protein tăng. Quá trình xử lý nhiệt dung dịch protein ở 950C trong 5 phút làm tăng lực phá vỡ hệ nhũ tương lên gấp từ 2 đến 4 lần so với khi không xử lý nhiệt. (Nguồn : Emulsifying properties of soy protein: characteristics of 7S and 11S proteins] Khả năng cố định mùi: chế phẩm protein có khả năng liên kết với các hợp chất hương như aldehyde, ketone, rượu, phenol, acid béo... được sử dụng để tạo mùi thịt cho các sản phẩm chay giả thịt, làm tăng hương vị đậm đà cho các món hầm, súp ... Khả năng tạo bọt Với các phân đoạn protein có khối lượng phân tử nhỏ, khả năng hình thành bọt và nhũ tương có thể tăng lên nhờ vào khả năng khuếch tán nhanh đến bề mặt phân chia pha (khí – nước và dầu – nước). Tuy nhiên, các phân đoạn polypeptide quá nhỏ để ổn định được bề mặt phân chia pha, một điều tối cần thiết để hình thành và ổn định hệ phân tán bởi vì polypeptide tại bề mặt phân chia pha có khả năng tương tác kém, tạo thành màng bao có độ nhớt và độ đàn hồi thấp. Khả năng tạo bọt bị ảnh hưởng bởi sự hấp phụ các tác nhân tạo bọt và khả năng nhanh chóng làm giảm sức căng bề mặt. (Nguồn: Interfacial and foaming properties of soy protein and their hydrolysates) Sau quá trình vi lọc, những dòng có khả năng hòa tan, tạo bọt và nhũ hóa cao có chung đặc điểm là giàu phân đoạn 7S. Tại pH 7, khả năng tạo bọt và làm bền bọt của β-conglycinin cao hơn so với glycinin. (Nguồn: Some functional properties of fractionated soy protein isolates obtained by microfiltration) Chương 2 : QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT 2.1 Xử lý nguyên liệu soy protein, whey protein 2.2 Sản xuất theo phương pháp truyền thống 2.3 Sản xuất theo phương pháp sử dụng membrane 2.1 Xử lý nguyên liệu Tất cả các nguyên liệu giàu protein có nguồn gốc từ động vật, thực vật hay vi sinh vật đều có thê sử dũng để sản xuất các chế phẩm protein. Hiện nay các nhà sản xuất tập trung vào việc tận dụng những nguồn nguyên liệu giàu protein đang bị lãng phí, những nguồn vẫn còn phổ biến ở ngoài kênh tiêu thụ của con người như huyết thanh sữa, phế liệu cá, các loài cá chưa được sử dụng đúng mức, cũng như hướng đến các nguyên liệu giàu protein có nguồn gốc từ thực vật, giá thành thấp như đậu nành, đậu phộng, hoa hướng dương… để sản xuất ra các chế phẩm protein mang lại hiệu quả kinh tế cao. Hiện nay trên thị trường phổ biến các chế phẩm protein đi từ ba nguồn nguyên liệu chính là đậu nành, whey và cá, chính nhờ giá trị dinh dưỡng cao cũng như tính kinh tế trong sản xuất do chi phí nguyên liệu thấp. 2.1.1 Nguyên liệu soy protein Giới thiệu nguyên liệu đậu nành Đậu nành có tên khoa học là Glycine max merill. Hạt đậu nành chứa khoảng 40% protein, 20% dầu, 15% hemicellulose, còn lại là các thành phần khác như cellulose, saccharose, raffinose … vitamin và khoáng. Con người có thể dễ dàng tiêu hóa được các sản phẩm protein đậu nành. Khoảng 92-100% protein đậu nành được tiêu hóa trong cơ thể người. Bảng 2 : Thành phần hóa học của hạt đậu nành (Nguồn: Liu Shunhu, A study on subunit Groups of Soybean Protein Extracts under SDS-PAGE, J Am Oil Chem Soc, Vol 84, p.793-801) Thành phần hóa học  Phần trăm khối lượng (tính trên hàm lượng chất khô)   Protein  40   Chất béo  20   Cellulose  4   Hemicellulose  15   Stachyose  3.8   Raffinose  1.1   Saccharose  5   Đường khác (arabinose, glucose, verbacose)  4.1   Vitamin và khoáng  6   Thành phần protein tổng trong hạt đậu nành dao động từ 29.6-50.5% (trung bình là 36-40%). Các nhóm protein đơn giản (%so với tổng protein): albumin (6-8%), globulin (25-34%), glutelin (13-14%), prolamin chiếm lượng nhỏ không đáng kể. Globulin đậu nành được chia thành bốn phân đoạn theo đơn vị lắng Svedberg khi hòa tan trong dung dịch đệm phosphate ở pH 7.6, bốn phân đoạn này bao gồm: 2S (15%), 7S (34%), 11S (41.9%), 15S (9.1%). Phân đoạn 11S và 15S là những protein tinh khiết, chứa glycinin và polymer của glycinin. Phân đoạn 7S thì ít đồng nhất hơn, thành phần chính là β-conglycinin, chiếm tỷ lệ thấp hơn là γ-conglycinin, lipoxygenase, α-amylase và hemagglutenin. Phân đoạn 2S bao gồm chất ức chế trypsin, cytochrome C và α-conglycinin. Glycinin và β-conglycinin là những protein quan trọng nhất và chiếm khoang 87% tổng số protein đậu nành. Chúng có cấu trúc bậc bốn phực tạp và có xu hướng phân ly, kết hợp. Do đó, thành phần và cấu trúc của những protein này phản ánh chứ năng của ccác sản phẩm protein. Bảng 3 : Thành phần protein đậu nành (Nguồn: Liu Shunhu, A study on subunit Groups of Soybean Protein Extracts under SDS-PAGE, J Am Oil Chem Soc, Vol 84, p.793-801) Phân đoạn (S)  Hàm lượng (%)  Thành phần  Phân tử lượng (Da)   2  15  Chất ức chế trypsin  8000-20000   7  35  β-conglycinin β-amylase Lipoxygenase Hemagglutenin  150000 62000 102000 110000   11  40  Glycinin  320000-350000   15  10  Polymerglicin  600000   Xét về mặt giá trị dinh dưỡng, protein đậu nành đứng hàng đầu trong cá loại đạm có nguồn gốc từ thực vật, không những về hàm lượng protein cao mà còn về chất lượng protein. Protein đậu nành dễ tan trong nước và chứa nhiều acid amin không thay thế. Protein đậu nành giàu các acid amnin cần thiết, trừ methionine và tryptophan; chứa khá nhiều lysine nên thường được dùng để bổ sung vào các sản phẩm đi từ ngũ cốc. Bảng 4 : Thành phần amino acid trong protein đậu nành (Nguồn: FAO corporation document repository) Amino acid  Hàm lượng amino acid g/100g protein   Isoleucine  4.54   Leucine  7.78   Lysine  6.38   Methionine  1.26   Cystine  1.33   Phenylalanine  4.94   Tyrosine  3.14   Threonine  3.86   Tryptophan  1.28   Valine  4.80   Để sản xuất soy protein concentrate, soy protein isolate cũng như soy protein hydrolysate, người ta sử dụng bột đậu nành đã tách béo. Chuẩn bị bột đậu nành tách béo Bột đậu nành tách béo được sản xuất bằng cách nghiền và rây bánh đậu nành sau khi đã tách béo. Lượng protein nằm trong khoảng 40-56% so với tổng chất khô. Giải thích quy trình Làm sạch Mục đích: tách loại tạp chất vô cơ, hữu cơ, đặc biệt là các tạp chất kim loại ảnh hưởng đến quá trình vận hành thiết bị, đồng thời loại bỏ một số vi sinh vật, côn trùng gây hỏng hạt. Thực hiện: đầu tiên đậu nành được đưa qua thiết bị sàng rung để tách tạp chất cơ học lớn như sỏi, đá …, sau đó qua thiết bị tách từ. Cuối cùng đậu nành được làm sạch trên rây, có thổi khí để tách tạp chất nhẹ, bụi. Nghiền sơ bộ và tách vỏ Mục đích: làm vỡ hạt đậu nành để vỏ dễ dàng tách ra khỏi hạt. Vỏ chiếm khoảng 7-8% thể tích hạt đậu. Thực thiện: đậu nành sau khi làm sạch (có thể qua sấy khô) được nghiền đến kích thước thích hợp cho quá trình tách vỏ. Sau khi nghiền, dưới tác dụng của dòng khí, vỏ nhẹ được tách ra. Quá trình nghiền sơ bộ phải được thực hiện cẩn thận, tránh làm vỡ vụn hạt, gây khó khăn cho quá trình tách vỏ. Xử lý Mục đích: chuẩn bị, giúp cho quá trình cán dễ dàng, màng tế bào dễ vỡ và dầu dễ thoát ra trong quá trình trích ly. Thực hiện: đậu nành sau khi nghiền sơ bộ và tách vỏ, được đưa vào nồi hơi có nhiệt độ khoảng 70oC. Hàm ẩm đậu tăng lên 11%, lý tưởng cho quá trình cán. Cán Mục đích: phá vỡ cấu trúc tế bào, chuẩn bị cho quá trình chất ly chất béo ra khỏi đậu nành. Thực hiện: đậu nành được đưa vào thiết bị cán trục tạo flakes. Bề dày của flakes đi khỏi thiết bị là 0.25 – 0.35 mm. Trích ly Mục đích: tách loại 99 – 99.5% dầu trong nguyên liệu. Thực hiện: sử dụng dung môi hexane. Thiết bị: immersion extractors. Đậu nành sau khi cán được nhúng ngập trong lòng dung môi (sử dụng dung môi hexane lưu chuyển ngược chiều). Dịch trích bao gồm dung môi và dầu béo thu được ở ngăn đầu tiên của thiết bị được bơm sang ngăn tiếp theo bên trái. Theo nguyên tắc như thế đậu nành có hàm lượng béo thấp nhất ở ngăn cuối cùng được tiếp xúc với dung môi hexane vừa vào thiết bị và quá trình trích ly dầu được thực hiện triệt để hơn. Sản phẩm đậu nành sau khi tách béo được gọi là Marc (phần xác), có hàm lượng béo 0.2 – 1%.
Hình 6 : Nguyên lý hoạt động thiết bị immersion extractor Tách dung môi Mục đích: tách lượng dung môi còn lưu lại trong nguyên liệu đậu nành. Thực hiện: bã đậu nành sau khi tách béo được đưa vào thiết bị flash desolventizer hoặc vapor desloventizer. Hệ thống flash desolventizer bao gồm ống tách dung môi, quạt thổi hoàn lưu, bộ phận gia nhiệt cho hơi. Các bộ phận này được sắp xếp sao cho hơi hexane được gia nhiệt dưới áp suất lên trạng thái quá nhiệt và tuần hoàn liên tục vào hệ thống, và di chuyển dưới tác dụng của luồng hơi quá nhiệt (157 – 166oC) chuyển động cùng chiều với vận tốc rất cao. Dòng hơi đưa nhiệt độ flakes lên khoảng 77 – 88oC trong vòng 3 giây, trong khi đó nhiệt độ bay hơi của hexane là 65oC. Bởi vì flakes đi vào thiết bị flash desolventizer với hàm ẩm thấp, trong khoảng thời gian ngắn nên hiện tượng protein bị biến tính rất ít xảy ra. Khi flakes di chuyển qua ống dài tới buồng bốc, một lượng lớn dung môi được tách ra. Flakes sau khi tách dung môi được thu hồi thông qua cyclone, và đi thẳng tới thiết bị khử mùi nhằm loại bỏ dấu tích của dung môi. Hệ thống vapor desloventize: hệ thống giống như hệ thống flash desolventizer ở chỗ hơi hexane cung cấp năng lượng nhiệt cho quá trình. Flakes tiếp xúc với hơi nóng hexane trong thiết bị dạng trống nằm ngang được trang bị với một băng tải. Sản phẩm flakes ra khỏi các hệ thống này có khả năng hòa tan cao, PDI (protein dispesibility index) có thể đạt 90. Tuy nhiên chưa ức chế được hoàn toàn hoạt động của một số chất bất lợi như chất ức chế trypsin, enzyme urease … Nghiền Mục đích: chuẩn bị cho quá trình trích ly protein về sau. Thực hiện: dùng thiết bị nghiền búa, sản phẩm của quá trình phãi đặt ít nhất 95% đi qua rây U.S 10-mesh, nhiều nhất 3-6% đi qua rây U.S 80 mesh. Thành phần của bột đậu nành tách béo Bảng 5 : Thành phần hóa học của bột đậu nành tách béo (Nguồn: Clyde E. Stauffer, PhD, Soy protein in Banking, Technical Food Consultancy, 2005) Thành phần  Tỷ lệ phần trăm %   Độ ẩm  6-8   Protein tổng (N × 6.25)  40-56   Chất béo  0.5-1   Hydrocarbon  30-32   Chất xơ hòa tan  2   Chất xơ không hòa tan  16   Tro  5-6   Protein trong bột đậu nành tách béo chiếm khoảng 40-56% so với tổng chất khô. Bảng 6 : Thành phần các acid amin có trong bột đậu nành tách béo (Nguồn: FAO corporation document repository) Acid amin  Thành phần (mg/100g bột)   Tryptophan  683   Threonine  2042   Isoleucine  2281   Leucine  3828   Lysine  3129   Methionine  634   Cystine  757   Phenylalanine  2453   Tyrosine  1778   Valine  2346   Arginine  3647   Histidine  1268   Alanine  2215   Aspartic acid  5911   Glutamic acid  9106   Glycine  2174   Proline  2750   Serine  2725   Chất béo : dù đã tách béo nhưng thành phần chất béo còn sót lại chiếm từ 0.5 – 1% so với tổng chất khô. Đây là thành phần không mong muốn trong quá trình cô đặc dung dịch protein bằng membrane bởi vì chúng bao bọc bề mặt membrane và làm cho membrane bị tắt nghẽn, dẫn đến hiện tượng fouling (hiện tượng tắc nghẽn membrane trong quá trình vận hành). Hydrocarbon : chiếm khoảng 30 – 32% so với tồng lượng chất khô. Hydrocarbon gồm các loại đường (sucrose, glucose, fructose …) chiếm khoảng 14%, xơ không tan chiếm 16% và xơ hòa tan chiếm 2%. Các loại đường và xơ hòa tan sẽ hòa tan vào nước và đi qua membrane trong quá trình cô đặc bằng membrane. Đối tượng cần quan tâm là xơ không hòa tan. Chúng giữ lại trên màng và có thể gây hiện tượng fouling. Vì thế, giảm lượng xơ không hòa tan trước khi thực hiện quá trình cô đặc membrane là cần thiết. Khoáng : là thành phần không mong muốn trong quá trình cô đặc protein bằng membrane. Các loại khoáng tan có thể qua màng nhưng chúng cũng có thể kết hợp với protein gây hiện tượng fouling. Các loại khoáng không tan được giữ lại trên bề mặt màng và cũng có thể gây hiện tượng fouling. Bảng 7 : Thành phần khoáng có trong đậu nành (Nguồn: Clyde E. Stauffer, PhD, Soy protein in Banking, Technical Food Consultancy, 2005) Các loại khoáng  Thành phần (mg/g bột)   Ca  285   Fe  8.2   Mg  285   P  675   K  2090   Na  9   Zn  4.1   Cu  1.6   2.1.2 Nguyên liệu whey protein Giới thiệu nguyên liệu whey Whey : chất lỏng màu vàng (greenish-yellow) được tách ra từ quá trình sản xuất phô mai và casein, là một trong những nguồn protein thực phẩm lớn nhất vẫn còn phổ biến ngoài kênh tiêu thụ của con người. Có hai loại protein cơ bản là whey ngọt và whey acid. Cả hai đều có nguồn gốc từ quá trình sản xuất phô mai và casein. Whey acid có pH ≤ 5.1, thu được từ quá trình đông tụ casein (bằng phương pháp sử dụng acid) hay trong quá trình sản xuất các loại phô mai như cottage, phô mai cream (bằng cách acid hóa trực tiếp). Người ta bổ sung vào whey để hiệu chỉnh đến pH 4.6 (pH đẳng điện của protein). Whey acid có thể sử dụng trong thưc ăn nhanh, salad, dressings hay các món ăn khai vị lạnh. Whey ngọt màu vàng nhạt hoặc không màu, đã loại bỏ phần lớn nước từ dịch whey thu được trong quá trình đông tụ casein bằng enzyme rennin. Whey ngọt được sử dụng khá phổ biến trong công nghệ thực phẩm. Chúng thường có pH trong khoảng 5.8 – 6.3 Ngoài ra còn có whey khoáng (DW), và whey giảm hàm lương lactose (RLW). DW thu được bằng cách loại phần lớn khoáng từ dịch whey đã được thanh trùng. Có thể loại bằng phường pháp trao đổi ion, thành phần khoáng còn lại trong DW không vượt quá 7% (USDEC, 2003). Ứng dụng đầu tiền của DW trong thực phẩm là tạo cấu trúc như thức ăn dành cho trẻ, thực phẩm dành cho người ăn kiêng và các dạng thức ăn hỗn hợp, trong đó thành phần và hàm lượng thành phần và hàm lượng khoáng đóng vai trò quyết định. RLW là sản phẩm có màu cream đến cream tối, được sản xuất bằng cách sấy khô dịch whey sau khi loại lactose. Thành phần lactose được tách bằng phương pháp vật lý như lắng, lọc, thẩm tách … Dạng whey này ngày càng được dùng phổ biến như là một thành phần dinh dưỡng trong cách sản phẩm như thức uống dạng bột, nước sốt, thịt, bánh nướng (USDEC,2003). Cho đến nay, mặc dù lượng protein hoàn hảo không đủ cung cấp cho thế giới, nhưng một lượng lớn dịch whey bị lãng phí. Whey là nguyên liệu để sản xuất whey protein concentrate, whey protein isolate và whey protein hydrolysate. Thành phần Bảng 8 : Thành phần hóa học của whey Thành phần  Chesese whey (%)  Casein whey (%)   Tổng chất khô  6.4  6.5   Nước  93.6  93.6   Chất béo  0.05  0.04   Protein thực  0.55  0.55   Nitơ phi protein  0.18  0.18   Lactose  4.8  4.9   Tro  0.5  0.8   Acid lactic  0.05  0.4   (Nguồn: Bylund G., Dairy processing handbook, Tetra-Park processing systems AB pulisher, Lund, 1995) Whey chiếm khoảng 80 – 90% tổng thể tích sữa đưa vào sản xuất và chứa khoảng 50% chất dinh dưỡng có nguồn gốc từ sữa nguyên chất như: protein hòa tan, lactose, vitamin và khoáng. Whey thường được pha loãng với nước. Bảng 8 cho biết thành phần của whey không pha loãng. Protein : whey protein là loại protein hoàn hảo có chất lượng cao do chứa một lượng lớn tất cả các acid amin không thay thế, có khả năng hòa tan cao. Bảng 9 : Thành phần protein của whey Loại  Thành phần (%)   Beta lactoglobulin  55   Alpha lactalbumin  15   Immunoglobulins  15   Bovine serum albumin  5   Lactoferrin  <1   Lactoperoxidase  <1   Casein macro peptide  10   Whey protein sữa được cấu tạo chủ yếu bởi hai thành phần: α-lactalbumin và β-lactoglobulin. β-lactoglobulin là thành phần chính chiếm nhiều nhất trong whey protein, với khối lượng phân tử là 36000. Hình 8 : Cấu trúc của (–lactoglobulin (trái) và (–lactalbumin (phải) Xử lý whey trước khi đưa vào sản xuất Hình 9 : Quy trình tách casein và tách béo Trước khi đưa vào sản xuất, người ta phải có các quá trình xử lý như tách béo và casein sót, sau đó làm lạnh hoặc thanh trùng. Đáng chú ý là whey cần phải được xử lý ngay sau khi thu nhận vì thành phần hóa học của whey thích hợp cho sự phát triển của vi khuẩn. Do đó có thể làm lạnh nhanh dịch whey xuống 5oC để hạn chế sự phát triển của vi khuẩn. Tách béo và casein sót Casein luôn tồn tại trong dịch whey do quá trình đông tụ chưa hoàn toàn. Chúng ảnh hưởng đến quá trình tách béo, do đó phải được tách ra trước. Có thể áp dụng nhiều phương pháp tách, chẳng hạn như tách bằng thiết bị ly tâm hoặc lọc. Hình 10 : Thiết bị ly tâm dạng đĩa Nguyên lý hoạt động Đây là dạng thiết bị hoạt động liên tục. Tốc độ ly tâm: 2000 – 3000 vòng/phút. Thời gian ly tâm: 10 – 15 phút. Dịch whey được nạp vào máy ly tâm, dưới tác dụng của lực ly tâm, dịch whey bị tách thành 2 phần: Phần whey cream và casein (hàm lượng chất béo cao nên có khối lượng riêng nhỏ) chuyển động về phía tâm của trục thùng quay Phần whey đã tách kiệt béo (hàm lượng chất béo rất thấp nên có khối lượng riêng lớn) chuyển động về phía biên của thùng quay. Tốc độ quay của thiết bị phải ổn định thì mới tách kiệt béo trong dịch whey. Cuối cùng ta thu được hai dòng sản phẩm: dòng whey cream – casein và dòng dịch whey đã tách kiệt béo theo các kênh riêng thoát ra ngoài. Làm lạnh hay thanh trùng Whey dự trữ để chế biến cần được làm lạnh hay thanh trùng ngay khi chất béo được tách ra. Quá trình làm lạnh và thanh trùng đều sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt bản mỏng. Để bảo quản whey trong thời gian ngắn (10-15 giờ), có thể làm lạnh dịch whey về 4oC để ức chế sự phát triển của vi sinh vật. Nếu muốn bảo quản whey trong thời gian dài, ta phải thanh trùng dịch whey. Whey được thanh trùng ở 72.8oC trong 15 giây và sau đó được giữ lạnh ở 1.7 – 4.4oC. Có thể bảo quản trong ba ngày. 2.2 Sản xuất theo phương pháp truyền thống Giải thích quy trình Trích ly protein Bột đậu nành đã tách béo được hòa cùng với môi trường trich ly bằng cách khuấy trong bình nhiệt. Môi trường trích ly là nước, chất kiềm như NaOH, vôi, ammoniac hay trisodium phosphate được thêm vào để điều chỉnh pH lên pH trung tính hay kiềm nhẹ. Với những điều kiện như vậy, phần lớn các protein sẽ hòa tan. Đường và các chất tan khác cũng bị hòa tan. Nếu tăng giá trị pH ta sẽ trích ly được nhiều protein hơn, tuy nhiên trong môi trường kiềm mạnh, protein được trích ly có thể xảy ra các biến đổi hóa học không mong muốn như sự biến tính protein và sự thay đổi tính chất hóa học của acid amin. pH quá cao cũng hổ trợ tương tác protein – carbohydrate, làm mất giá trị dinh dưỡng. Hơn nữa, protein được kết tủa từ môi trường hơi kiềm có xu hướng giữ lại quá nhiều nước, và không lắng tốt. Trong thực tế pH thay đổi trong khoảng 7.5 – 9 là phổ biến nhất. Trong công nghiệp, thời gian trích ly thường là 1 giờ, nhiệt độ 60oC, hiệu suất trích ly protein tăng đáng kể khi nhiệt độ tăng lên 80oC. Tỷ lệ rắn/lỏng thay đổi trong khoảng 1:10 và 1:20. Tách và xử lý dịch trích Sau thời gian trích ly, hỗn hợp được đưa qua thiết bị ly tâm thứ nhất để tách phần dung dịch hòa tan gồm có protein và oligosaccharides. Phần rắn thu được sau ly tâm (chủ yếu là xơ) được loại bỏ. Dịch trích chứa một lượng đáng kể các thành phần nhỏ từ bột đem trích ly, chúng cần phải được loại bỏ trước khi kết tủa, đây là một quá trình cần thiết để thu nhận khối đông từ dòng tinh sạch thu được. Bảng 10 : Ảnh hưởng của việc gạn lọc dịch trích lên độ tinh sạch của khối đông SPI Mesh của sàng dùng để tách chất rắn  % protein ( N × 6.25) trong khối đông sấy khô   20  83.2   40  83.9   60  84.5   80  85.8   100  88.7   140  89.5   200  91.2   Ly tâm  93.3   Acid hóa và đông tụ Protein dược kết tủa từ dịch trích bằng cách giảm pH xuống vùng đẳng điện. Thường dùng HCl, đưa về pH 4.5. pH và nhiệt độ sử dụng trong quá trình kết tủa không làm ảnh hưởng đến hiệu suất cũng như giá trị dinh dưỡng, tính chất chức năng của sản phẩm. Phân tách và rửa khối đông Protein kết tủa được tách ra khỏi phần nổi (whey) bằng lọc hay là ly tâm. Khối đông được rửa để loại bỏ các chất cặn của dịch whey. Quá trình này có thể được thực hiện bằng cách tạo dung dịch huyền phù khối đông trong nước rồi ly tâm hay lọc thùng quay hay băng tải. Việc rửa là qua trọng nhất để thu SPI tinh sạch hơn. Sau đó khối đông được đưa về pH 7, qua đồng hóa rồi đi vào thiết bị sấy phun. Sấy Phương pháp thường được sử dụng để sấy khối đông đã rửa là sấy phun. Nhiệt độ không khí nóng đầu vào là 157oC. đầu ra 86oC. Sản phẩm có hàm ẩm 4-6%, lượng protein hòa tan chiếm trên 90%. Hình 12 : Mô hình thiết bị sản xuất SPI Hiệu suất SPI là 30-40% dựa trên đơn vị khối lượng bánh hay bột soy tách béo hay 60% protein trong bánh đậu nành. Gồm hai công đoạn chính là thu nhận protein và sấy dịch thu nhận được. Nhìn chung whey protein không bị kết tủa bởi men dich vị hoặc acid. Tuy nhiên có thể kết tủa chúng với acid nếu làm biến tính chúng trước bởi nhiệt. Whey sau khi xử lý được gia nhiệt bằng thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng, nhằm mục đích biến tính sơ bộ dịch whey, chuẩn bị cho quá trình phun hơi. Nhiệt độ dịch whey sau khi ra khỏi thiết bị gia nhiệt khoảng 40oC. Sau đó dịch whey đi qua thiết bị phun hơi, mục đích của quá trình này là kết hợp với quá trình chỉnh pH về sau, nhằm biến tình hoàn toàn protein trong dịch whey. Nhiệt độ dịch whey sau quá trình phun hơi là 90 – 95oC. Kế đến ta chỉnh pH của dịch whey về 4.6 bằng acid lactic hoặc acid HCl, kết hợp bổ sung acid trong quá trình giữ nhiệt. Dịch whey chứa protein đã bị biến tính sẽ đi qua thiết bị làm nguội về 40oC, và qua thiết bị ly tâm để tách protein. Nồng độ dịch whey protein biến tính thu được khoảng 45 – 55%. Cuối cùng là quá trinh sấy phun nhằm thu nhận WPC, có độ ẩm nhỏ hơn 5%. Các vấn đề của quy trình truyền thống Ưu điểm: rẻ tiền, việc dùng HCl có thể ức chế vi sinh vật ở áp suất thấp. Nhược điểm Thời gian dài. Hiệu suất thu hồi protein thấp: do bị tổn thất trong quá trình sản xuất (thông thường tỉ lệ thu hồi khoảng 60 – 70 % protein nguyên liệu ban đầu). Soy Protein Isolate (SPI) thu được đôi khi rất nghèo protein hòa tan do đó làm giảm tính chất chức năng do protein có thể bị biến tính trong điều kiện khắc nghiệt (trích ly với cồn hay kiềm, xử lý nhiệt, kết tủa hay ly tâm). Việc điều chỉnh pH về môi trường kiềm có thể làm giảm chất lượng protein vì có thể xảy ra các phản ứng không mong muốn như: sự racemic hóa các acid amin, hình thành lysinoalamine bởi phản ứng của lysine với dehydroaliamine được tạo ra bởi sự thoái hóa của cysteine và serine, làm giảm khả năng hấp thu đồng thời làm mất một số acid amin (Liener, 1994). Mặt khác, xử lý acid, kiềm còn gây ra nguy cơ tăng hàm lượng muối trong sản phẩm. Ngoài ra, một số protein không đông tụ như albumin và môt số protein tan trong acid bị tổn thất (khoảng 10% lượng protein trong dịch trích ban đầu). Sự tổn thất này có thể gây bất lợi đến giá trị dinh dưỡng và tính chất chức năng của sản phẩm cuối cùng do đó làm ảnh hưởng đến lượng protein tổng và lượng acid amin. Hơn nữa, SPI sản xuất bằng phương pháp truyền thống vẫn giữ lại môt lượng lớn acid phytic. Do khả năng tạo phức của phytate với protein và khoáng hình thành phức protein-khoáng hoặc phức protein-khoáng-phytate nên sự có mặt của chúng làm giảm khả năng hấp thu khoáng của con người cũng như làm giảm giá trị sinh học của protein. Một thể tích dòng nước thải được tạo ra làm mất đáng kể protein và các thành phần có giá trị khác. Ngoài ra đây còn là nguồn ô nhiễm đáng lo ngại nếu không có biện pháp xử lý thích hợp (Lin và cộng sự, 1974). 2.3 Phương pháp sử dụng membrane Giới thiệu membrane Định nghĩa membrane Membrane là loại màng đặc biệt có thể phân riêng một cách chọn lọc các cấu tử có kích thước khác nhau, từ những hợp chất cao phân tử như tinh bột, protein cho đến các chất có kích thước phân tử thấp như các ion hóa trị một. Membrane đóng vai trò vật ngăn để phân riêng các cấu tử, áp suất là động lực duy nhất trong kỹ thuật phân riêng bằng membrane. Do sự phân riêng được thực hiện ở mức phân tử hoặc ion nên đối tượng của quá trình thường không phải là hệ huyền phù mà là những dung dịch chứa các cấu tử hòa tan có phân tử lượng khác nhau. Kết quả của quá trình phân riêng sẽ cho ta hai dòng sản phẩm: Dòng sản phẩm qua membrane được gọi là permeate Dòng sản phẩm không qua membrane được gọi là retentate Các kỹ thuật membrane Kỹ thuật vi lọc – MF (Microfiltration) Kỹ thuật vi lọc được áp dụng để loại các chất không tan trong dung dịch như huyền phù, vi sinh vật. Đường kính lỗ mao quản của membrane MF trung bình vào khoảng 200 nm. Kỹ thuật vi lọc có áp suất làm việc thấp nhất trong các kỹ thuật phân riêng bằng membrane, thường dao dộng trong khoảng 0.3 – 1 bar. Đây là kỹ thuật được áp dụng khá phổ biến trong chế biến thực phẩm như tách vi sinh vật từ sữa, nước trái cây... Kỹ thuật siêu lọc – UF (Ultrafiltration) Kỹ thuật siêu lọc là quá trình phân riêng chọn lọc các hợp chất với áp suất làm việc vào khoảng 1 – 10 bar. Đường kính mao quản trung bình từ 2 đến 50 nm. Kỹ thuật siêu lọc được áp dụng để tách protein, chất nhuộm, và các hợp chất có khối lượng phân tử lớn hơn 10000 Dalton. Kỹ thuật lọc nano – NF (Nanofiltration) Trong kỹ thuật lọc nano, mao quản có đường kính trung bình khoảng 2 nm. Áp suất làm việc trong quá trình lọc nano cần phải cao, thông thường từ 20 – 40 bar. Kỹ thuật này được áp dụng trong quá trình cô đặc đường, các dung dịch chứa muối hóa trị hai, chất màu hay các hợp chất có khối lượng phân tử lớn hơn 1000 Dalton. Kỹ thuật thẩm thấu ngược – RO (Reverse Osmosis) Thẩm thấu ngược là quá trình phân riêng có sử dụng áp suất để đẩy dung môi từ vùng có nồng độ chất tan cao qua màng membrane đến vùng có nồng độ chất tan thấp bởi việc áp đặt một áp suất lớn hơn áp suất thẩm thấu. Đây là sự ngược của quá trình thẩm thấu – là sự di chuyển tự nhiên của dung môi từ vùng có nồng độ chất tan thấp qua màng membrane đến vùng có nồng độ chất tan cao khi không có áp suất áp đặt vào. Membrane ở đây là màng bán thấm, có nghĩa là nó cho sự đi qua của dung môi nhưng không cho dung dịch đi qua. Kỹ thuật này sử dụng membrane có đường kính lỗ mao quản nhỏ hơn 1nm, nên có khả năng tách các cấu tử có kích thước nhỏ như các ion như Na+, Cl-... ra khỏi dung dịch. Vì vậy, áp suất làm việc trong kỹ thuật này phải đủ lớn (15 – 70 bar), để thắng áp suất thẩm thấu trên bề mặt màng. 2.3.1 Sản xuất Whey protein isolate Hình 15 : Sơ đồ sản xuất LVWPI (Liquid virgin whey protein isolate) Bước 1 : Thu hồi whey nguyên bằng vi lọc Hệ thống MF là hệ thống tuần hoàn, được tạo hình để hoạt động ở một chênh lệch áp suất ổn định (UTMP) và gồm có 38 thành phần membrane ceramic với kích thước lỗ biểu kiến là 0.1(m. Các thành phần này dài 1.02m, tạo ra một diện tích lọc hiệu quả là 9.2m2. Quá trình lọc được bắt đầu bởi sự tuần hoàn của 130kg nước tinh sạch bằng RO, lượng nước này tương ứng với lượng tối đa của hệ thống MF. Nước được tuần hoàn cho đến khi thiết bị ổn định ở 500C và đạt được UTMP là 101 kPa. Vào lúc này, 1047 kg sữa gầy, acid hóa tới pH 6.0 bởi glucono - ( - lactone, được nhập liệu vào hệ thống MF. Nước RO pha loãng sữa gầy, tạo dòng permeate với lưu lượng ban đầu khoảng 115 kg h-1 m-2. Dòng retentate được cô đặc tới chỉ số cô đặc khối lượng (mass concentration factor – MCF) bằng 8. Thu được khoảng 1025 kg whey nguyên, giữ ở 450C và sau đó được sử dụng cho công đoạn tiếp theo. Membrane dạng ống Kích thước lỗ 0.1 (m Diện tích lọc 9.1 m2 Bước 2 : Siêu lọc lần đầu và lọc DF whey nguyên Quá trình cô đặc bằng siêu lọc được thực hiên bởi membrane polysulfone (PSf) dạng cuộn xoắn (SW) với khối lượng phân tử lọc và tổng diện tích memebrane lần lượt là 10 kDa và 5.9 m2. Nó được vận hành ở nhiệt độ không đổi 450C, vận tốc 0.5 m s-1. Áp suất vào và ra của dòng retentate được duy trì ở 475 và 200 kPa tương ứng, tạo ra một chênh lệch áp suất trung bình 275 kPa. Quá trình siêu lọc tiếp tục cho tới khi MCF khoảng 13 và nồng độ của whey protein khoảng 3%. Sử dụng cùng hệ thống cuộn xoắn, dòng retentate được qua hệ thống lọc DF sử dụng dung dịch đệm, để duy trì pH khoảng 5.9 – 7.9. Hệ đệm này được chuẩn bị từ 0.2M NaH2PO4 và 0.2M Na2HPO4 với tỉ lệ thể tích 7:1 và được pha loãng bởi 67% (v/v) nước RO. Dung dịch đệm giúp duy trì pH của dòng retentate 6.0. Membrane dạng cuộn xoắn Phân tử lượng 10 kDa Diên tích lọc 5.9 m2 DF là phương pháp pha loãng tiếp phần retentate còn lại ở trên màng sau quá trình siêu lọc rồi cho hỗn hợp đi tiếp qua membrane. Phương pháp này giúp loại thêm những chất còn sót lại trên màng (như lactose và tro) mà đáng lẽ chúng phải được loại ra theo dòng permeate, nhờ đó là giảm được những tạp chất không mong muốn và tăng độ protein lên đến 80%. Có hai phương pháp DF + Gián đoạn: discontinuous diafiltration (DDF): nước bơm vào gián đoạn để rửa phần retentate. Phương pháp này rất linh động trong việc điều khiển nồng độ tạp chất cần giảm và lượng protein mong muốn. + Liên tục: continuous diafiltration (CDF): nước được bơm vào liên tục. Tốc độ dòng nước bơm vào bằng tốc độ dòng permeate đi ra. Bước 3 : Siêu lọc cuối whey nguyên đã loại lactose Ngay sau khi lọc DF, khoảng 33 kg của dòng retentate được nhập liệu vào hệ thống membrane dạng sợi với phân tử lượng lọc 10 kDa và tổng diện tích lọc 2.9 m2. Quá trình lọc được thực hiện ở 450C và vận tốc 2.0 m s-1. Dòng permeate thông với khí quyển trong khi áp suất vào và ra của dòng retentate được duy trì lần lượt là 300 và 170 kPa. Điều này tạo chênh lệch áp suất là 130 kPa. Quá trình lọc tiếp tục cho tới khi MCF khoảng 5, tạo ra tổng MCF khoảng 65. Membrane dạng sợi Phân tử lượng 10 kDa Diện tích lọc 2.9 m2 2.3.2 Sản xuất soy protein isolate Hoà tan Mục đích Hòa tan protein trong đậu nành đã tách béo dung dịch. Biến đổi Vật lý: sự thay đổi về thể tích, khối lượng tăng. Hóa học: phần lớn protein trong bã đậu nành sẽ hoà tan vào dung dịch NaOH, tuy nhiên nếu ở pH cao có thể xảy ra sự racemic hóa, các acid amin chứa lưu huỳnh như cys, cystin bị phá hỏng, arg bị phân hủy một phần thành ornitin và ure, ở pH cao cũng có thể thúc đẩy phản ứng maillard xảy ra. Sinh học: một số vi sinh vật có thể bị ức chế trong môi trường kiềm. Hoá sinh: một số enzym bị vô hoạt. Thực hiện Cho đậu nành đã tách béo vào bồn hình trụ, trong bồn có lấp cánh khuấy, motor được lấp phía trên và thiết bị được tháo ra từ của đáy. Thông số công nghệ pH = 7.7 – 9 ( = 45 – 60 phút T = 55 – 600C Ly tâm Mục đích Khai thác: loại bỏ bã lọc ra khỏi dịch sau khi nghiền, thu nhận dịch chiết, làm sạnh, nâng cao chất lượng dịch chiết. Biến đổi Vật lý: sự thay đổi về thể tích, khối lượng giảm. Hóa học: có tổn thất một ít protein, vitamin, chất màu… theo bã lọc. Hóa lý: thay đổi trạng thái từ dung dịch dạng huyền phù sang lỏng. Sinh học: một số vi sinh vật bị loại bỏ theo bã lọc. Thiết bị lọc ly tâm Cấu tạo Nguyên tắc hoạt động Loại máy ly tâm này dùng để tách pha rắn và pha lỏng ra khỏi dung dịch huyền phù sệt. Dịch huyền phù được bơm vào ống nhập liệu đến buồng lọc. Trục vis xoắn quay tạo ra lực ly tâm làm cho các hạt rắn chuyển động ra khỏi tâm buồng lọc và va vào thành thiết bị. Những hạt rắn này sẽ được trục vis đẩy về ống tháo bã. Phần lỏng còn lại tiếp tục qua màng lọc theo ống tháo sản phẩm ra ngoài. Yếu tố ảnh hưởng : tính chất bã. Siêu lọc Mục đích : khai thác. Biến đổi Hóa học: protein bi giữ lại trên màng siêu lọc. Hóa lý : protein bi giữ lại trên màng vi lọc tạo bả rắn và dung dịch đi qua màng vi lọc. Sinh học: vi sinh vật bị giữ lại trên màng vi lọc. Thiết bị Nguyên tắc hoạt động Dưới tác dụng của áp suất được tạo ra từ bình tạo áp suất, nguyên liệu được chuyển đến màng lọc thô, ở đây những tạp chất lớn được giữ lại, dung dịch qua màng lọc thô sẽ đến màng siêu lọc, quá trình lọc được thực hiện ở áp suất là 3 bar, bã lọc được lấy ra ngoài. Thông số công nghệ Mao quản có đường kính trung bình khoảng 2 nm. Áp suất thực hiện quá trình là 3 bar. pH trung tính. Sấy phun Mục đích Chế biến: tạo ra sản phẩm là soy protein isolate dạng bột mịn. Bảo quản: sau sấy sản phẩm có hàm ẩm thấp (<5%), trong thời gian ngắn nhưng tác nhân sấy ở nhiệt độ cao, nên vi sinh vật khó phát triển, do đó bảo quản sản phẩm được lâu. Biến đổi Vật lý: có sự giảm về khối lượng do nước bay hơi. Hoá học: hàm ẩm giảm nhanh chóng. Có thể xảy ra sự phân huỷ các chất mẫn cảm với nhiệt độ như mùi, hương. Nhiệt độ cao cũng có thể gây biến tính một số protein nhưng do thời gian sấy ngắn nên sự biến đổi này là không đáng kể. Hóa lý + Sự bay hơi nước và các chất dễ bay hơi dưới tác động của nhiệt độ cao. + Có sự chuyển pha: dung dịch protein sau quá trình sấy phun sẽ có dạng bột. Hoá sinh: một số enzyme có thể bị vô hoạt hoặc giảm hoạt tính bởi nhiệt độ nên sẽ làm giảm các phản ứng do enzyme xúc tác. Sinh học: một số vi sinh vật bị tiêu diệt hoặc ức chế. Tuy nhiên, do thời gian lưu trong buồng sấy là rất ngắn nên các biến đổi về hoá sinh và sinh học là không lớn lắm. Thiết bị sấy phun Gồm 3 giai đoạn chính Phun sương : đây là gia đoạn phân tán dòng nhập liệu thành những giọt suơng nhỏ li ti. Trộn mẫu và tác nhân sấy: khi đó xảy ra quá trình bốc hơi nước trong mẫu. Thu hồi sản phẩm. Cấu tạo thiết bị Quạt. Bộ lọc khí. Calorifere. Tháp sấy phun. Bơm. Vòi phun. Băng tải. Cyclon thu hồi sản phẩm. Nguyên tắc hoạt động Nguyên liệu từ bồn chứa sẽ được bơm và phun sương vào tháp sấy. Trong khi đó, không khí được quạt hút qua bộ lọc khí vào calorifere rồi vào tháp sấy. Bột protein được làm khô rất nhanh thành các hạt mịn có kích thước khoảng 150nm. Các hạt lớn, nặng hơn rơi xuống đáy tháp và theo băng tải ra ngoài. Các hạt mịn bị cuốn theo dòng khí và được tách ra tại một cyclon khác. Các thông số ảnh hưởng đến quá trình sấy phun Bản chất vật liệu sấy: nồng độ chất khô, thành phần hóa học, các liên kết hóa học. Nhiệt độ tác nhân sấy. Kích thước, số lượng và quỹ đạo chuyển động của các hạt nguyên liệu trong buồng sấy. Thông số công nghệ