Tài liệu Sản xuất protein isolate từ đậu nanh soy protein isolate

Sản xuất protein isolate từ đậu nành GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn I. GIỚI THIỆU NGUYỆN LIỆU I.1 Tổng quan về cây đậu nành Đậu nành, hay còn gọi là đậu tương (tên khoa học: Glycine soja Siebold et Zucc hoặc Glycine max (L.) Merrill, hay Soya hispida Maxim), có nguồn gốc từ phương Đông, được thuần hóa đầu tiên ở Trung Quốc vào khoảng năm 644 trước CN. Giới : Plantae Ngành Lớp :Magnoliophyta : Magnoliopsida Bộ : Fabales Họ Phân họ : Fabaceae : Faboideae Giống : Glycine Loài Tên thứ hai : max : Glycine max Điều kiện để cây đậu nành phát triển tốt: o pH đất trồng: 6,0 – 6,5 o Nhiệt độ: 25 – 300 C o Lượng mưa: 500 -700mm o Thời kì trồng : cuối mùa đông, đầu mùa hè Tính chất vật lý của hạt đậu nành: o Hình dạng: từ tròn tới thon dài và dẹt o Màu sắc: vàng, xanh, nâu hoặc đen o Kích thướt : 18-20g/100 hạt Cấu trúc hạt đậu nành: Hạt đậu nành gồm hai phần: vỏ hạt và phôi. Vỏ bao bọc bên ngoài để bảo vệ phôi bên trong. Vỏ hạt dày hay mỏng tùy theo giống, vỏ chỉ chiếm khoảng 8 % khối lượng hạt, phần phôi bên trong chứa hai tử diệp, chứa đạm và dầu nên chiếm 90 % trọng lượng hạt. (Đỗ Huy Bích và cộng sự, 2004) Hình 1.1 : Cây đậu nành 1 Sản xuất protein isolate từ đậu nành GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn I.1.1 Lịch sử phát triển đậu nành Năm 2838 trước công nguyên, hoàng đế Trung Quốc Sheng Nung viết Materia Medica. Trong tài liệu này, cây đậu nành được ghi chú là có giá trị vì khả năng làm thuốc. Đậu nành được trồng đầu tiên ở Bắc Trung Quốc, từ đây đã truyền sang Nhật, Hàn Quốc và Nam Á. Đậu nành đã được biết đến như là một thứ thuốc ở các tài liệu từ Trung Quốc, Ai Cập và Mesopotamia ở những năm 1500 trước công nguyên hay sớm hơn. Ở thời ấy, những hợp chất đã lên mốc, lên men từ đậu nành đã được sử dụng như là những chất kháng sinh để trị vết thương và giảm sưng. Năm 1712, đậu nành được giới thiệu vào Châu Âu bởi Englebert Kaempfer, nhà thực vật học người Đức đã được học ở Nhật. Một nhà thực vật học người Thụy Điển Carl von Linne đã hoàn tất nghiên cứu đậu nành và đặt tên cho nó là Glycine max bởi những nốt sần ở rễ. Không may là đất và khí hậu không thích hợp ở Châu Âu đã làm cho sự thử nghiệm sản xuất đậu nành bị ngưng. Cây đậu nành đến Mỹ những năm 1800. Thời đó đậu nành được sử dụng như một ballast (vật nặng để giữ cho tàu thuyền thăng bằng khi không có hàng) cho những thuyền có hành trình xa từ Trung Quốc và được dỡ hàng nhường chỗ cho hàng hóa trong chuyến đi kế tiếp. Vì tò mò, một vài nông dân đã trồng hạt đậu nành. Cây đậu nành đầu tiên trồng ở Mỹ là cây đậu đã lớn lên ở Pennsylvania. Năm 1829, những nông dân Mỹ đã trồng đậu nành theo vụ và đến năm 1898 Bộ Nông Nghiệp Mỹ đã đem về một số giống khác từ Châu Á. Năm 1904, George Washington Carver đã khám phá ra rằng đậu nành giàu protein và dầu. Người tiên phong về đậu nành William. J .Morse đã trải qua hai năm ở Trung Quốc và đã thu được 10 000 giống đậu nành khác phục vụ cho mục đích nghiên cứu ở Mỹ. Năm 1920, tiến sĩ John Harvey Kellogg đã đề ra sự thay thế đậu nành vào bữa ăn và sữa đậu nành cho người tiêu dùng. Tuy nhiên nông dân Mỹ đã không nắm bắt thời cơ cho tới khi những cánh đồng đậu nành ở Trung Quốc bị tàn phá trong thế chiến thứ II và cuộc nội chiến ở Trung Quốc năm 1940. Ngày nay đậu nành đã trở nên phổ biến và được trồng ở rất nhiều nước trên thế giới. Cây đậu nành có 4 loại lá : hai lá mầm, hai lá đơn, lá có ba lá chét và lá gốc. Nốt sần là phần vỏ rễ phình ra và trong đó có vi khuẩn Rhizobium japonicum sinh sống. Vi khuẩn này hình gậy, sống trong đất, có khả năng đi vào rễ và cố định đạm từ khí trời. Một cây đậu có khoảng vài trăm nốt sần phân bố trên các rễ ở độ sâu 1m. Vi khuẩn thường xuyên xâm nhập vào rễ, ở phần giữa đỉnh rễ và lông hút nhỏ nhất, tạo thành một chuỗi nhiễm là một ống có lỗ hở. Mỗi vi khuẩn được bao bọc một màng tạo thành túi, nếu vi khuẩn đi vào chất nguyên sinh của tế bào rễ mà không được bọc một màng thì nó sẽ tạo thành nốt sần không có tác dụng. Ở trong túi, vi khuẩn nhân nhanh cho tới khi một vài vi khuẩn hoặc dạng vi khuẩn được hình thành. Nốt sần có tập tính sinh trưởng hữu 2 Sản xuất protein isolate từ đậu nành GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn hạn và bám vào rễ, phần giữa nốt sần là tế bào nhu mô đầy túi Bacteroids. Túi Bacteroids chiếm 80% thể tích tế bào, còn lại 20% là nguyên sinh chất và các thành phần khác. Phần giữa của Bacteroids là những tế bào không bị nhiễm vi khuẩn và phân chia mạnh tạo thành ống dẫn (nơi trao đổi giữa tế bào chủ và Bacteroids cố định đạm. Nốt sần có thể tăng trưởng đến 60 ngày thì bắt đầu giảm tuổi thọ từ giữa và tiến dần ra ngoài, cuối cùng bị thối. Đạm được cố định ở Bacteroids. Enzyme nitrogenase nằm ở Bacteroids chứa từ 2-5% tổng số đạm của nốt sần, nó có 2 ngăn : ngăn 1 chứa Mo-Fe-protein gọi là dinitrogenase và ngăn 2 là Fe-protein gọi là dinitrogenase reductase. Trong quá trình cố định đạm sinh ra H2 . Leghaemoglobin có ở trong nguyên sinh bao quanh Bacteroids và ở vỏ của Bacteroids, có vai trò đưa oxy vào mô nốt sần. Sản phẩm đầu tiên của cố định đạm là NH3 do vi khuẩn Brady Rhizobium japonicum tiết ra hầu hết. NH3 sau đó chuyển hóa vào glutamin và glutamate ở cylosol tế bào chủ, các nhà khoa học cũng cho rằng NH3 oxi hóa thành NO 3 - ở trong Bacteroids. Đậu nành thuộc nhóm vận chuyển ureide, allatoin và allansoic acid là dạng đạm chính được chuyển hóa từ nốt sần vào cây. Ureide thủy phân thành urê và glyoxylate dưới sự xúc tác của allantoinase và allantoicase cho thấy trong quá trình chuyển hóa của allantoase dưới xúc tác của allantoicase. Allantoicase được hình thành được hình thành dưới xúc tác của ureidoglycolase, nó chuyển thành glyoxylate và ha i phân tử urê tiếp theo lại được chuyển hóa do men urease thành amin acid. Urease có mặt trong các bộ phận của cây. Hoạt tính urease bị ức chế do thiếu nitơ nhưng Ni kích thích hoạt tính của urease, khi thiếu Ni dù đậu trồng ở điều kiện có nitơ, NO 3 - hay NH4 thì hiện tượng bị độc do urê có thể xảy ra, do đó urê là sản phẩm của quá trình chuyển hóa nitơ trong điều kiện cố định hay không cố định đạm. Cây đậu nành cho nhiều hoa nhưng tỷ lệ hoa không thành quả chiếm 20-80%. Đậu nành có hoa dạng cánh bướm đặc trưng, ống đài năm cánh không bằng nhau. Tràng hoa gồm cánh hoa cờ phía sau, hai cánh bên và hai cánh thìa phía trước tiếp xúc nhau nhưng không dính vào nhau. Bộ nhị gồm 10 nhị chia làm hai nhóm, nhóm 1 gồm 9 nhị và cuống dính với nhau thành một khối, nhóm 2 chỉ có một nhụy hoa, nhụy hoa có một là noãn. Vòi nhụy cong về phía nhị. Hạt đậu nành cũng như hạt của nhiều loại họ đậu khác là không có nội nhũ mà chỉ có một lớp vỏ bao quanh một phôi lớn. Hình dạng hạt có hình cầu, dẹt, dài và oval. Ở hạt trưởng thành, đầu của rốn là lỗ noãn, lỗ này được bao phủ bởi một lớp màng. Ở đầu kia của rốn là rãnh nhỏ. Vỏ đậu nành có 3 lớp : biểu bì, hạ bì và lớp nhu mô bên trong. Do vỏ của lớp tế bào mô đậu có lớp cutin che phủ nên sự trao đổi khí không xảy ra, sự trao đổi khí giữa phôi và mội trường qua rốn hạt. Những mảnh của nội nhũ bị ép chặt vào vỏ hạt. Lớp ngoài nội nhũ gọi là lớp aleuron gồm những tế bào hình lập phương nhỏ chứa đầy đạm. Hạt đậu nành có nhiều màu sắc khác nhau : vàng, xanh, nâu, đen, có thể một màu, hai màu hay nhiều màu. Một cây có thể có tới 400 quả đậu nành. Một quả chứa từ 3 Sản xuất protein isolate từ đậu nành GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 1-5 hạt (các giống thường từ 2-3 hạt), quả hơi cong có chiều dài từ 2-7 cm. Màu sắc của quả phụ thuộc vào sắc tố caroten, xanthophyll, antocyanin. I.1.2 Đậu nành ở Việt Nam Trước Cách mạng tháng 8/1945, diện tích đậu nành còn nhỏ. Sau khi đất nước thống nhất thì diện tích đậu nành đã tăng. Cả nước có 6 vùng sản xuất đậu nành : vùng Đông Nam Bộ có diện tích lớn nhất (26,2% diện tích đậu nành cả nước) o Miền núi Bắc Bộ (24,7%) o Đồng bằng sông Hồng (17,5%) o Đồng bằng sông Cửu Long (12,4%) o Đồng bằng ven biền miền Trung o Tây Nguyên. Trong 10 năm trở lại đây, có hàng loạt giống đậu nành được nhập từ nước ngoài, thích nghi tốt trong điều kiện Việt Nam. Một số được chon từ các tổ hợp lai hữu tính và sử dụng đột biến. Có thể phân chia thành các nhóm giống chính như sau Bảng 1.1 : Một số giống đậu nành ở Việt Nam Thời gian sinh Giống trưởng Đặc điểm (ngày) VỤ XUÂN VỤ HÈ VỤ THU ĐÔNG Hoa trắng, hạt vàng Khối lượng (100 hạt ) Năng suất (tạ/ha) 14-16g 18-22 15-16 15-20 13-14 14-16 VX92 90-95 TL57 100-110 ĐN42 90-95 AK06 ĐT2000 93-95 100-110 Hoa tím, hạt vàng sáng Hoa tím, nhiều đốt 16-18 14-15 25-30 30-40 M103 85 Hoa tím, hạt vàng sáng 18-20 17-20 DT84 80-85 18-22 15-30 ĐT93 80-82 Hoa tím, hạt vàng sáng Hoa tím, chín có màu 13-14 15-30 ĐT12 71 17-19 17-20 VX93 85-90 15-16 16-20 AK05 90-95 13-15 16-23 DT95 90-97 15-16 15-30 sang Hoa trắng, hạt vàng Hoa tím, hạt tròn, vàng sang vàng Hoa trắng, là hình tim nhọn Hoa trắng, quả nâu, hạt vàng Hoa trắng, cây cao 4045cm Hạt vàng, rốn nâu đen 4 Sản xuất protein isolate từ đậu nành GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn D96-02 95-110 Hoa tím, hạt vàng nhạt 15-18 15-18 ĐT21 MTD176 95-100 80-85 Hoa tím, hạt vàng * 20-22 * 20-28 12-15 HL25 80 * 12-14 11-15 VDN1 HL-2 80-85 80 * * 15-16 12-14 18-20 18-20 TỈNH PHÍA NAM I.2 Thành phần hóa học hạt đậu nành I.2.1 Thành phần hóa học o 8% nước o 5% chất vô cơ o 15-25% glucose o 15-20% chất béo o 35-45% chất đạm với đủ các loại amino acid cần thiết (isoleucin, lysin, methionin, pheny lalanin, tryptophan, valin) o Nhiều sinh tố, khóang chất, Ca, Fe, Mg, P, K, Na, S o Các vitamin A, B1 , B2 , D, E, F, các enzyme, sáp, nhựa, cellulose Bảng 1.2: Thành phần hoá học của hạt đậu nành Thành phần Tỷ lệ khối lượng Lá mầm Vỏ Trụ dưới lá mầm Nguyên hạt Cellulose Tỷ lệ phần trăm (%) Protein Nx6.25 Lipid Cacbohydrate Tro 90 43 23 43 5 8 9 1 86 4.3 2 41 11 43 4.4 100 40 20 35 4.9 Bảng 1.3: Thành phần hydratcacbon trong đậu nành 4.0% Raffinose 1.1% Hemicellulose 15.4% Saccharose 5.0% Stachyose 3.8% Các loại đường khác 5.1% Bảng 1.4: Thành phần amino acid có trong protein đậu nành Amino acid Isoleucine Hàm lượng aa (g/100 g protein) 4.54 5 Sản xuất protein isolate từ đậu nành GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn Leucine 7.78 Lysine Methionine 6.38 1.26 Cystine Phenylalanine 1.33 4.94 Tyrosine 3.14 Threonine Tryptophan 3.86 1.28 Valine 4.80 Bảng 1.5: Thành phần acid béo trong đậu nành Acid béo Ký hiệu % khối lượng Lauric 12:0 4.5 Myristic 14:0 4.5 Palmitic Stearic 16:0 18:0 11.6 2.5 Oleic Linoleic 18:1 18:2 21.1 52.4 Linolenic 18:3 7.1 Bảng 1.6: Hàm lượng các chất khoáng trong đậu nành Canxi Photpho 0.16 – 0.47% 0.41 – 0.82% Mangan 0.22 – 0.24% Kẽm Sắt 37mg/kg 90 – 150g/kg Bảng 1.7: Hàm lượng các vitamin trong đậu nành 11 – 17.5mg/kg 3.4 – 3.6 Inoxton Acid folic 1.9 2300 Niacin 21.4 – 23 Vitamin A 0.18 – 2.43 Pyridocin Biotin 7.1 – 12.0 0.8 Vitamin E Vitamin K 1.4 1.9 Acid tantothenic 13 – 21.5 Thiamin Riboflavin I.2.1 Protein đậu nành Protein bao gồm : o Protein dự trữ (globulin) có thể bị thủy phân trong thời gian hạt nảy mầm để làm 6 Sản xuất protein isolate từ đậu nành o GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn chất dinh dưỡng cho phôi sinh trưởng. Protein cấu trúc (protein chức năng) như ezyme và chất kiềm hãm enzyme thì thường được định vị trong phần còn lại của tế bào. Trong hạt còn có một lượng nhỏ các hợp chất như oestrogen, goitrogen, fitat, saponin, sterol…Các hợp chất này và một số oligosaccharide không có lợi. Bằng phương pháp siêu ly tâm, người ta đã tách được bốn đoạn 2,7,11,15. Các globulin 7S và 11S chiếm trên 70% tổng lượng protein của hạt. Phương pháp này được phát triển những năm 1970. Protein đậu nành được phân ra : o Globulin 2S (gồm chất kiềm hãm trypsin, cytochrome c) chiếm 35% trọng lượng protein của hạt. o Globulin 11S (glycinin) được cấu tạo nên từ 12 tiểu phần (subunits) tương đối ưa béo : 6 tiểu phần có tính acid A và 6 tiểu phần có tính kiềm B. Trong phân tử có từ 42-46 nguyên tử lưu huỳnh dưới dạng các cầu disulfua nối các dưới đơn vị hay trong nội bộ một tiểu phần. Glycinin dễ dàng bị phân ly thành các dưới đơn vị của mình khi gia nhiệt tới 800 C ở lực ion thấp. o Globulin 7S là conglycinin thường chiếm 35% trọng lượng protein của hạt, là một glucoprotein. Phân tử cấu tạo nên từ 3 tiểu phần có tính acid : , ’ và . Các tiểu phần , ’ có thành phần acid amin rất giống nhau, thiếu cystein và cystine. Dưới đơn vị không chứa cystein và methionine. Trong đoạn 7S còn có các hemaglutinin (lectin) mà phân tử của chúng có thể tạo thành phức bền với các hợp chất glucid, nó còn có các chất kiềm hãm protease như antitrypsin Kunitz… Ngoài phương pháp trên, người ta còn sử dụng phương pháp Sodium Dodecyl Sulfate Polyacrylamide Gel Electrophoresis (SDS-PAGE), thuốc nhuộm CBB G250 để tách được các globulin 7S và 11S ở một số cây đậu ở Mỹ và Nhật. Khi đun nóng dung dịch conglycinin loãng, pH = 7-8, lực ion yếu, đến 1000 C thì các phân tử của chúng sẽ phân ly thành các tiểu phần không có hiện tượng tập hợp phân tử. Ở pH = 7-7,6 và lực ion 0,2-0,4 thì các phân tử cũng phân ly thành các dưới đơn vị nhưng sau đó tập hợp lại. Khi đun dung dịch protein đậu nành 1% đến 95 0 C, pH = 7, không có các chất khử và các lực ion khác nhau thì quá trình tập hợp sẽ thuận lợi khi lực ion tăng từ 0 đến 2. Tốc độ tập hợp sẽ tăng trong pH = 4-6 nhưng sẽ gần bằng 0 nếu pH acid hoặc kiềm. Dung dịch protein đậu nành đậm đặc được đun nóng ở pH gần trung tính sẽ tạo gel. Khi lực ion yếu thì trạng thái này sẽ xảy ra từ 70 0 C, thời điểm mà conglycinin giãn mạch. Độ cứng của gel sẽ giảm cùng với nồng độ NaCl, các gel protein thường không chịu được sự thanh trùng. Ở pH = 5,5 hay thêm ion Ca 2+ làm đông tụ protein thành những khối. Cả glycinin và conglycinin đều bị biến tính khi tiếp xúc với hỗn hợp nước – ethanol có hàm lượng rượu trên 20% theo thể tích. Rượu càng kỵ nước thì sự giãn 7 Sản xuất protein isolate từ đậu nành GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn mạch protein càng nhanh và độ cứng của gel càng lớn. I.3 Thành phần dinh dưỡng hạt đậu nành Thành phần dinh dưỡng của sữa đậu thành có nhiều điểm tương tự với sữa bò. o Sữa đậu nành có lượng protein cao gần bằng sữa bò, nhưng ít canxi hơn sữa bò. Sữa đậu nành có ưu điểm là không có lactose, có thể thay thế sữa bò cho những người bị dễ bị đau bụng do lactose. Sữa đậu nành cũng chứa ít chất béo bão hòa hơn sữa bò, có thể có lợi cho tim mạch hơn. o Đậu nành có tỷ lệ protit và lipit vượt xa lượng chất dinh dưỡng có trong thịt, nhiều nhất vẫn là protein. Người ta thấy rằng protein động vật vừa khó hấp thu, vừa để lại những hợp chất cặn xấu cho cơ thể, làm suy thoái nhanh và gây ra nhiều chứng bệnh nan y, ngược lại protein đậu nành có lợi cho cơ thể, không để lại những hợp chất gây bệnh, lại có đặc tính đặc biệt về khả năng kết hợp với các prorein từ ngũ cốc, ở một mức độ nào đó, bổ sung cho nhau để tạo ra nhiều loại dưỡng chất tương ứng với nguồn gốc từ động vật như protein trong trứng, cá và nhiều loại khác. Vì thế mà khi protein đậu nành dùng thay thế protein động vật làm giảm những khiếm khuyết mà protein động vật gây ra, đồng thời nhờ tính kết hợp, cung cấp cho cơ thể nhiều hợp chất phong phú đáp ứng quá trình trao đổi chất trong cơ thể. o Chất béo không bão hoà chiếm 60% so với bão hoà là 15%, trong đó có 2 loại axit linolenic và linolic ảnh hưởng tốt lên hệ tuần hoàn và phòng được ung thư. o Chất xơ của đậu nành gồm hai loại: xơ không tan ở phần vỏ bao (cellulose, lignin) và xơ tan ở phần đậu (pectin, gum). o Nhiều hợp chất khác có trong đậu nành có tính dược lý cao, được các nhà khoa học lần lượt khám phá và họ đã khẳng định chúng có khả năng ngăn chặn hữu hiệu bệnh tim mạch, làm tăng khả năng chịu đựng các hoạt động cơ bắp, giảm khối lượng mỡ, giữ cho cơ thể thon thả và khoẻ mạnh. o Trong hạt đậu nành rất giàu vitamin A, E, K cùng với khoáng chất potassium sắt, kẽm và phốt pho bổ sung đảm bảo cho cơ thể có đầy đủ dưỡng c hất. I.4 Chỉ tiêu chất lượng Thông thường, chất lượng của đạm được đánh giá dựa vào thành phần acid amin thiết yếu. Có tất cả 20 loại acid amin, nhưng trong đó chỉ có 8 loại là thiết yếu mà cơ thể không tự tổng hợp được, phải lấy từ nguồn thực phẩm ăn vào. Loại đạm nào có sự phân bố thành phần 8 acid amin thiết yếu giống với đạm của cơ thể thì được xem là đạm có chất lượng tốt. Người ta đã dùng các chỉ số BV (Biochemical Value) hoặc NPU (Net Protein Utilisation) để đo lường chất lượng của đạm. Các chỉ số này càng cao có nghĩa là đạm ăn vào có khả năng được giữ lại cơ thể càng nhiều để tổng hợp thành đạm cơ thể. So với các 8 Sản xuất protein isolate từ đậu nành GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn nguồn đạm thực vật khác, đạm đậu nành có chỉ số BV cao hơn cả. Nhưng so với đạm của các nguồn động vật như: trứng, thịt, cá, sữa thì đạm đậu nành có chỉ số BV thấp hơn. Đó là do đạm đậu nành thiếu hụt thành phần methionin. BV của protein isolate là 74. NPU của protein đậu nành là 61. I.5 Các sản phẩm thực phẩm từ đậu nành: Do đậu nành có chứa nhiều thành phần dinh dưỡng, giúp ích cho co n người trong việc bổ sung lượng protein và lipid cần thiết cho cơ thể, nên được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khác nhau: y dược, nông nghiệp, chăn nuôi, công nghiệp… Tuy nhiên khả năng ứng dụng của đậu nành được sử dụng nhiều nhất là trong thực phẩm. Thực phẩm chế biến từ đậu nành có thể chia làm 2 nhóm lớn: Nhóm thực phẩm không lên men: Sản phẩm sữa đậu nành. Cà phê sữa đậu nành. Đậu phụ. Các loại bánh nướng. Bột dinh dưỡng cho trẻ em. Các sản phẩm giả thịt, lạp xưởng. Nước tương hoá giải. Các chất chiết từ protein đậu nành. Nhóm thực phẩm có lên men: Chao Nước tương lên men. Tương. Miso. Tempeh. Đạm tương. I.6 Tổng quan về sản phẩm Protein Isolate: I.6.1 Định nghĩa : của Association of American Feed Control Officials, Inc. (AAFCO) thì SPI được sản xuất từ bột đậu nành đã tách vỏ, tách béo và loại hết những phần không phải là protein và chứa ít nhất là 90% protein trên hàm lượng chất khô. Hình 1.2: Soy protein isolate dạng bột 9 Sản xuất protein isolate từ đậu nành GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn Protein đậu nành là một sản phẩm được chế biến bằng cách trích ly protein từ đậu nành với hàm lượng protein cao (>90%), để cung cấp cho các nhà máy chế biến các sản phẩm thịt. Protein đậu nành có tính năng cải thiện cấu trúc hay tạo cấu trúc trong các dạng sản phẩm khác nhau (dạng gel, nhũ tương...), có khả năng giữ nước, liên kết các thành phần chất béo, protein...nhanh chóng nên được đưa vào trực tiếp trong quá trình tạo nhũ tương. Protein isolate là protein đậu nành có hàm lượng protein cao nhất, được làm từ quá trình trích ly hạt đậu nành, loại bỏ hầu hết chất béo và carbohydrate. Kết quả thu được là sản phẩm chứa trên 90% protein. Vì vậy protein isolate có mùi vị trung tính so với các sản phẩm protein đậu nành khác. Protein isolate từ đậu nành được sử dụng phần lớn trong công nghiệp thực phẩm. I.6.2 Ứng dụng trong công nghiệp của protein islolate Protein isolate được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm với mục đích dinh dưỡng (tăng hàm lượng protein trong sản phẩm), cảm quan (ngon miệng hơn, hợp khẩu vị hơn) và những lý do chức năng (cần thiết cho sự chuyển thành thể sữa, sự hấp thụ nước, chất béo, chất kết dính) Protein isolate được sử dụng trong công nghiệp sản xuất các sản phẩm sau: o Snacks o Thức ăn nhanh từ ngũ cốc o Thực phẩm nướng o Kem, sản phẩm bơ sữa. o Công nghệ sản xuất thịt cá… 10 Sản xuất protein isolate từ đậu nành GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn II. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ II.1 Quy trình I 11 Sản xuất protein isolate từ đậu nành GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn II. 1.1 Làm sạch II.1.1.1 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. II.1.1.2 Các biến đổi : o Vật lý : loại tạp chất rắn khỏi nguyên liệu. o Sinh học: loại bỏ được một số vi sinh vật có lẫn trong tạp chất trong nguyên liệu. II.1.1.3 Thực hiện: đầu tiên đậu nành được qua thiết bị sàng rung để tách các tạp chất cơ học lớn như đá, sỏi…, 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. II.1.2 Nghiền, tách vỏ II.1.2.1 Mục đích: làm vỡ hạt đậu nành để vỏ dễ dàng tách ra khỏi hạt. Vỏ chiếm khoảng 7-8% thể tích hạt đậu. II.1.2.2 Biến đổi o Vật lý: giảm kích thước của hạt đậu nành thành những hạt nhỏ, tăng nhiệt độ nguyên liệu do ma sát trong quá trình nghiền. o Hóa học: phân huỷ một số chất mẫn cảm với nhiệt độ như vitB1 , vitC và nhiệt độ tăng có thể thúc đẩy phản ứng oxy hóa acid béo tự do có trong đậu nành. o Sinh học: loại một số vi sinh vật có trong vỏ đậu nành, một số vi sinh vật bị tiêu diệt. II.1.2.3 Thực hiện: 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. II.1.3 Cán tạo bánh (fraking) II.1.3.1 Mục đích: phá vỡ cấu trúc tế bào, chuẩn bị cho quá trình trích ly c hất béo ra khỏi đậu nành. II.1.3.2 Biến đổi o Vật lý: giảm kích thước của đậu nành thành những hạt nhỏ, tăng nhiệt độ do ma sát trong quá trình cán. o Hóa học: phá vỡ cấu trúc tế bào. II.1.3.3 Thực hiện: đậu nành được đưa vào thiết bị cán trục tạo flakes. Bề dày của flakes đi khỏi thiết bị là khoảng 0.25 - 0.35 mm. II.1.4 Trích ly lipid bằng hexan II.1.4.1 Mục đích: tách khoảng 99-99.5% dầu trong đậu nành. II.1.4.2 Biến đổi 12 Sản xuất protein isolate từ đậu nành GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn o Hóa lý: chất béo được trích ly vào dung môi benzen. II.1.4.3 Thiết bị o Nguyên lý hoạt động: 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 tách béo được gọi là Marc (phần xác), có hàm lượng béo 0.2 – 1%. Hình 2.1: Thiết bị trích ly chất béo o Để tránh biến tính protein thì quá trình được thực hiện ở 50 0 C, một giải pháp để tăng hiệu suất trích ly là sử dụng hexan bổ sung acid acetic 5% về thể tích, lúc đó quá trình có thể thực hiện được ở nhiệt độ phòng và hiệu suất lúc khi sử dụng kết hợp hexan và acid acetic ở nhiệt độ phòng có hiệu suất trích ly cao hơn cả thực hiện ở 600 C mà không có sự có mặt của acid acetic ( Trích từ Journal of the American Oil Chemists' Society, 04/04/1983 ). II.1.5 Tách hexan II.1.5.1 Mục đích: tách hexan khỏi bã đậu nành sau khi tách béo. II.1.5.2 Biến đổi o Hóa lý: hexan được tách khỏi bã đậu nành tại nhiệt độ sôi của hexan. II.1.5.3 Thiết bị o Nguyên lý hoạt động: Bã đậu nành sau khi tách béo được đưa vào thiết bị flash desolventizer. Hệ thống flash desolventizer bao gồm ống tách dung môi, quạt 13 Sản xuất protein isolate từ đậu nành GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 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. Flakes sau khi ra khỏi thiết bị trích ly được nhập liên tục vào hệ thống, và di chuyển dưới tác dụng của luồng hơi quá nhiệt (157-166o C) chuyển động cùng chiều với vận tốc rất cao. Dòng hơi đưa nhiệt độ flakes lên khoảng 77-88o C trong vòng 3 giây, trong khi đó nhiệt độ bay hơi của hexane là 65o C. 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. Hình 2.2: Hệ thống tách hexan II.1.6 Hoà tan protein bằng dung dịch NaOH: II.1.6.1 Mục đích o Khai thác: hòa tan protein trong đậu nành đã tách béo.dung dịch. II.1.6.2 Biến đổi: o Vật lý: sự thay đổi về thể tích, khối lượng tăng. o 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 cystein, 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. o Sinh học: một số vi sinh vật có thể bị ức chế trong môi trường kiềm. o Hoá sinh: một số enzym bị vô hoạt. II.1.6.3 Thực hiện: cho đậu nành đã tách béo vào bồn hình trụ, trong bồn có lấp cánh khoáy, motor được lắp phía trên và thiết bị được thóat ra từ của đáy. 14 Sản xuất protein isolate từ đậu nành GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn II.1.6.4 Thông số công nghệ o pH: 7.7-9 o Thời gian: 45 phút – 60 phút o Nhiệt độ:550 C – 600 C Hình 2.3: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của dịch chiết nitrogen, chỉ số khúc xạ và pH theo thời gian II.1.7 Ly tâm II.1.7.1 Mục đích: o Khai thác: loại bỏ bã lọc ra khỏi dịch sau khi nghiền, thu nhận dịch chiết, làm sạch, nâng cao chất lượng dịch chiết. II.1.7.2 Biến đổi: o Vật lý: sự thay đổi về thể tích, khối lượng giảm. o Hóa học: có tổn thất một ít protein, vitamin, chất màu… theo bã lọc. o Hóa lý: thay đổi trạng thái từ dung dịch dạng huyền phù sang lỏng. o Sinh học: một số vi sinh vật bị loại bỏ theo bã lọc. II.1.7.3 Thiết bị lọc ly tâm o Cấu tạo: 15 Sản xuất protein isolate từ đậu nành GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn 1. Ống cấp dịch 2. Ống tháo dịch 3. Ống tháo bã 4. Màng lọc 5. Bã 6. Trục vít xoắn Hình 2.4: Thiết bị lọc ly tâm o 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 đầu buồng lọc. Trục vít 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 vít đẩy về ống tháo bã. Phần lỏng còn lại tiếp tục qua màng lọc theo ống tháo sản phẩm ra ngoài. o Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ly tâm là tính chất bã. II.1.8 Kết tủa protein: II.1.8.1 Mục đích: o Khai thác: thu nhận lượng protein hoà tan trong dung dịch. II.1.8.2 Các biến đổi trong quá trình kết tủa protein o Hóa lý: thay đổi trạng thái từ dung dịch, hình thành khối kết tủa. o Sinh học: một số vi sinh vật bị ức chế do pH thấp. II.1.8.3 Thực hiện: dung dịch thu được sau quá trình ly tâm sẽ được bơm vào bồn kết tủa. Bồn kết tủa là bồn hình trụ, làm bằng thép không rỉ, có khả năng chống ăn mòn cao, trong bồn có hệ thống cánh khoáy được nói với motor ở đỉnh bồn.. Nhập liệu vào cửa đỉnh và kết tủa được tháo ra khỏi thiết bị ở của đáy. Phần protein hoà tan sẽ được kết tủa bằng cách chỉnh pH của dung dịch về 4.5 là pH đẳng điện của protein globulin. Để điều chỉnh pH dùng dung dịch HCl đậm đặc. II.1.9 Ly tâm II.1.9.1 Mục đích: nhằm mục đích loại phần dịch có chứa các hợp chất hoà tan như polysaccharide… để thu được phần protein kết tủa. II.1.9.2 Các biến đổi trong quá trình ly tâm o Vật lý: protein qua quá trình kết tủa và tách dịch được kết thành khối chặt hơn, tỷ trọng khối protein tăng. 16 Sản xuất protein isolate từ đậu nành GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn o Hoá học: độ tinh khiết của sản phẩm tăng do các phần hoà tan đã theo dịch ra ngoài. o Hóa lý: sau quá trình ly tâm ta thu được 2 phần, là phần nước dịch và phần protein. o Sinh học: một số vi sinh vật bị loại ra theo dịch. Trong nước dịch có chứa đường và các hợp chất dinh dưỡng khác là môi trường thuận lợi cho vi sinh vật phát triển. II.1.9.3 Thiết bị ly tâm: tương tự thiết bị ly tâm ở quy trình một phần II.1.7.3 II.1.10 Rửa tủa II.1.10.1 Mục đích: quá trình rửa tủa nhằm mục đích loại bỏ cặn, một phần dung dịch HCl và các chất hòa tan (whey solubles) còn sót lại trong khối kết tủa. II.1.10.2 Biến đổi Vật lý: có sự tăng lên về khối lượng và thể tích. Hoá học: có sự tổn hao chất khô vào trong nước rửa tủa. II.1.10.3 Thực hiện: : kết tủa thu được sau quá trình ly tâm sẽ được cho vào bồn rủa tủa. Bồn rửa tủa là bồn hình trụ, làm bằng thép không rỉ, trong bồn có hệ thống cánh khuấy được nối với motor ở đỉnh bồn. Nhập liệu vào cửa đỉnh và dịch rửa được tháo ra khỏi thiết bị ở của đáy. Phần protein hoà tan trong bồn sẽ được được trung hòa bằng dung dịch NaOH ở giai đoạn kế tiếp. II.1.11 Trung hòa bằng dung dịch NaOH II.1.11.1 Mục đích: trung hòa hết acid còn dư trong sau quá trình rửa. II.1.11.2 Biến đổi o Vật lý: làm tăng thể tích. o Hóa học: chuyển từ pH acid về pH trung tính. II.1.11.3 Thực hiện: cho từ từ dung dịch NaOH 1N vào bồn cho đến khi pH bằng 7 thì dừng lại. II.1.12 Sấy phun II.1.12.1 Mục đích o Chế biến: tạo ra sản phẩm là SPI dạng bột mịn. o 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. II.1.12.2 Các biến đổi o Vật lý: có sự giảm về khối lượng do nước bay hơi. o 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 17 Sản xuất protein isolate từ đậu nành GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn protein nhưng do thời gian sấy ngắn nên sự biến đổi này là không đáng kể. o 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. o Hoá sinh: một số enzym có thể bị vô hoạt hoặc giảm hoạt tính bởi nhiệt độ nên sẽ làm giảm các phản ứng do enzym xúc tác. o 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. II.1.12.3 Thiết bị sấy phun o Quá trình sấy phun gồm 3 giai đoạn chính  Phun sương: đây là giai 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. o Cấu tạo thiết bị:   Quạt. Bộ lọc khí.  Calorifere.   Tháp sấy phun. Bơm.  Vòi phun.   Băng tải. Cyclon thu hồi sản phẩm. o 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. 18 Sản xuất protein isolate từ đậu nành GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn Hình 2.5: Giản đồ thiết bị sấy phun Hình 2.6: Thiết bị sấy phun II.1.12.4 Các thông số ảnh hưởng đến quá trình sấy phun o Bản chất vật liệu sấy: nồng độ chất khô, thành phần hóa học, các liên kết hóa học. o Nhiệt độ tác nhân sấy. o Kích thước, số lượng và quĩ đạo chuyển động của các hạt nguyên liệu trong buồng sấy. II.1.5.6 Thông số công nghệ o Nhiệt độ không khí vào: 170 – 2000 C. o Nhiệt độ không khí ra: 90 – 1000 C. o Thời gian lưu của các hạt trong buồng sấy: 5s. o Độ ẩm vật liệu sau khi sấy:3 – 4%. o Đường kính hạt : 95% < 150 m. 19 Sản xuất protein isolate từ đậu nành GVHD: PGS.TS Lê Văn Việt Mẫn II.2 Quy trình II 20