Đề tài Ứng dụng protein concentrate và protein isolate trong công nghệ chế biến thịt và các sản phẩm từ thịt

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. Hình 7 : Hệ thống flash desolventizer 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 b–lactoglobulin (trái) và a–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 Trích ly protein Bột đậu nành đã tách béo nành đã Ly tâm Ly tâm Sấy phun Đồng hóa SPI Rửa khối đông Nước, kiềm Trung hòa Đông tụ Nước Nước, kiềm Xơ Acid Hình 11 : Quy trình sản xuất SPI 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. Hình 13 : Quy trình sản xuất WPC Gia nhiệt Whey đã xử lý Phun hơi Làm nguội Sấy phun WPC Ly tâm Hạ pH Dịch lỏng Acid 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 Hình 14 : Kích thước mao quản và áp suất ứng với 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 0.1mm. 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 - d - 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 mm 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. Dòng vào Nước bơm vào để lọc DF Retentate Sản phẩm đã loại tạp chất Permeate Retentate + Liên tục: continuous diafiltration (CDF): nước được bơm vào liên tục. Tốc độ dòng nước bơm vào bằng tốc độ dòng permeate đi ra. Hình 16 : Mô hình Diafiltration 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 Bột đậu nành đã tách béo Hòa tan Ly tâm Lọc UF Sấy phun SPI Kiềm Bã Lọc RO Hình 17 : 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 t = 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 Ống cấp dịch Ống tháo dịch Ống tháo bã Màng lọc Bã Trục vít xoắn Cấu tạo Hình 18 : Thiết bị lọc ly tâm 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 Màng lọc thô Màng siêu lọc Khuấy từ Bìn